1. Obecné pojmy a definice
Ovladatelnost je schopnost plavidla pohybovat se po dané dráze, tzn. udržovat daný směr pohybu nebo jej měnit pod vlivem ovládacích zařízení.
Hlavní ovládací zařízení na lodi jsou ovládací prvky řízení, ovládací prvky pohonu a ovládací prvky aktivního ovládání.
Ovladatelnost kombinuje dvě vlastnosti: stabilita a agilita kurzu .
Stabilita kurzu- to je schopnost lodi udržet směr přímého pohybu. Stabilita kurzu může být automatická, když je loď schopna udržet kurz bez ovládání ovládacích prvků (kormidel), a provozní, když je loď udržována na daném kurzu pomocí ovládacích prvků.
Hbitost je schopnost plavidla měnit směr pohybu a popisovat trajektorii daného zakřivení.
Hbitost a stabilita kurzu odpovídá hlavnímu účelu každého ovládacího zařízení: otáčet loď a zajišťovat její pohyb konstantním směrem. Kromě toho musí jakékoli ovládací prostředky působit proti vlivu vnějších silových faktorů. V souladu s tím R.Ya. Pershits zavedl definici tak důležité složky ovladatelnosti, jako je poslušnost.
Poddajnost je schopnost lodi překonat odpor vůči manévrování za daných vnějších vlivů. Při absenci vnějšího vlivu může sehrát svou roli vlastní nestabilita na kurzu.
Poslušnost v komatu zavedla tento koncept citlivost, což znamená schopnost plavidla co nejrychleji reagovat na působení řízení, zejména na posun kormidla.
Tah vrtule. Aby se loď mohla pohybovat určitou rychlostí, musí na ni působit hnací síla, která překoná odpor vůči pohybu. Užitečný výkon potřebný k překonání odporu je určen vzorcem: Nп = R V, kde R je odporová síla; V - rychlost pohybu.
Hnací sílu vytváří pracovní šroub, který jako každý mechanismus vynakládá část energie neproduktivně. Síla vynaložená na otáčení šroubu je: Nз= M n, kde M je moment odporu proti otáčení šroubu; n je rychlost otáčení šroubu.
Poměr užitečného výkonu k vynaloženému výkonu se nazývá propulzní koeficient komplexu tělo-pohon:
h = RV/Mn
Koeficient pohonu charakterizuje potřebu energie plavidla k udržení dané rychlosti. Výkon pohonné jednotky (efektivní výkon Ne) plavidla musí být větší než výkon vynaložený na otáčení lodního šroubu, protože dochází ke ztrátám v hřídeli a převodovce:
Ne = RV/h hв hр,
kde hв, hр jsou koeficienty účinnosti hřídele a převodovky.
Protože při rovnoměrném lineárním pohybu je přítlačná síla vrtule rovna odporové síle, lze výše uvedený vzorec použít k hrubému odhadu tahu vrtule v režimu plného zdvihu (Vo):
Re = Ne hв hp / Vo,
kde je hnací koeficient určen podle Lappova vzorce:
kde L je délka plavidla mezi kolmicemi:
n - rychlost otáčení vrtule, s -1.
Maximální tah vrtule se vyvíjí v režimu kotvení - přibližně o 10 % více než tah vrtule v režimu plné rychlosti.
Tažná síla vrtule při provozu vzad je přibližně 70-80 % tahu vrtule v režimu plné rychlosti.
Odolnost vůči pohybu plavidla
Odolnost vůči pohybu plavidla
Voda má vlastnosti viskozity a hmotnosti, které způsobují dva typy odporu při pohybu nádoby: viskózní a vlnění. Viskózní odpor má dvě složky: tření a tvar.
Třecí odpor závisí na ploše a drsnosti smáčeného povrchu pouzdra. Tvarová odolnost závisí na konturách těla. Vlnový odpor je spojen s tvorbou lodních vln při interakci trupu pohybující se lodi s okolní vodou.
Pro řešení praktických problémů se odpor vody vůči pohybu plavidla považuje za úměrný druhé mocnině rychlosti:
R = kV²,
kde k je koeficient úměrnosti v závislosti na ponoru plavidla a stupni znečištění trupu.
Jak bylo uvedeno v předchozí části, odporovou sílu při plné rychlosti lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:
Ro = Ne hв hp / Vo.
Mezilehlé hodnoty odporu (R) pro jakoukoli cestovní rychlost jsou určeny:
Setrvačnost plavidla a připojené masy vody
Setrvačnost plavidla a připojené masy vody
Rovnoměrnost sil odporu média vůči pohybu plavidla a tahu lodního šroubu určuje rovnoměrný dopředný pohyb plavidla. Při změně rychlosti otáčení šroubu je tato rovnost sil porušena.
S rostoucím tahem se rychlost plavidla zvyšuje a se snižováním tahu klesá. Ke změně rychlosti dochází po dlouhou dobu, dokud není překonána setrvačnost plavidla a opět se vyrovnají tahové a odporové síly vrtule. Mírou setrvačnosti je hmotnost. Setrvačnost plavidla pohybujícího se ve vodním prostředí však nezávisí pouze na hmotnosti samotného plavidla.
Trup plavidla vtahuje do pohybu částice vody, které k němu přiléhají, což spotřebovává další energii. V důsledku toho, aby se plavidlu poskytla určitá rychlost, bude zapotřebí delší provoz elektrárny.
Při brzdění je nutné uhasit nejen kinetickou energii akumulovanou plavidlem, ale také energii vodních částic účastnících se pohybu. Tato interakce vodních částic s trupem je podobná nárůstu hmotnosti lodi.
Tato přídavná hmotnost (přidaná hmotnost vody) u dopravních lodí se pohybuje od 5 do 10 % jejich výtlaku při podélném pohybu plavidla a přibližně 80 % výtlaku při příčném pohybu.
2. Síly a momenty působící na loď při jejím pohybu
2. Síly a momenty působící na loď při jejím pohybu
Při zvažování pohybu plavidla se používá pravoúhlý souřadnicový systém XYZ spojený s těžištěm plavidla. Kladný směr os: X - k nosu; Y - směrem k pravoboku; Z - dolů.
Všechny síly působící na loď jsou rozděleny do tří skupin: hnací, vnější a reaktivní.
Mezi hnací síly patří vytvořené řídicími prostředky: tlačná síla vrtule, boční směrová síla, síly vytvořené aktivními řídicími prostředky.
Mezi vnější síly patří tlak větru, mořské vlny, proudy.
Reaktivní síly zahrnují vznikající v důsledku pohybu plavidla pod vlivem hnacích a vnějších sil. Dělí se na inerciální- způsobené setrvačností plavidla a připojených mas vody a vyskytující se pouze za přítomnosti zrychlení. Směr působení setrvačných sil je vždy opačný než působící zrychlení.
Neinerciální síly jsou způsobeny viskozitou vody a jsou to hydrodynamické síly.
Při analýze sil působících na plavidlo je uvažováno jako svislé křídlo se symetrickým profilem vzhledem ke středové rovině (DP).
Ve vztahu k lodi jsou hlavní vlastnosti křídla formulovány takto:
pokud se loď pohybuje lineárně v proudu vody nebo vzduchu pod určitým úhlem náběhu, pak kromě tažné síly, směřující proti pohybu, se objeví zvedací síla, směřující kolmo k přicházejícímu proudu. Výsledkem je, že výslednice těchto sil se neshoduje se směrem toku. Velikost výsledných sil je úměrná úhlu náběhu a druhé mocnině rychlosti přibližujícího se proudění;
bod působení výsledné síly se posouvá po DP od středu plochy křídla směrem k proudění. Čím větší je velikost tohoto posunutí, tím ostřejší je úhel náběhu. Při úhlech náběhu blízkých 90 stupňům se bod působení výsledné síly shoduje s střed plachty(pro povrch lodi) a střed bočního odporu(pro podvodní část);
ve vztahu k podvodní části trupu lodi: úhel náběhu je úhel driftu a pro povrchovou část - vrcholový úhel (KA) zdánlivého větru;
střed bočního odporu se obvykle shoduje s těžiště lodi, a poloha středu plachty závisí na umístění nástaveb.
Za nepřítomnosti větru a kormidla v přímé poloze může být první diferenciální rovnice pohybu lodi reprezentována jako:
kde Mх je hmotnost nádoby s přihlédnutím k přidané hmotnosti vody.
Jednotný pohyb: nedochází k žádnému zrychlení, proto je setrvačná síla Mx dV/dt=0. Na loď působí dvě stejné a opačné síly: voděodolnost a tah vrtule.
Na změna tahu vrtule rovnost tahových sil vrtule a odpor pohybu plavidla je narušen; to způsobí vzhled setrvačných sil, objeví se zrychlení a loď se začne pohybovat rychleji nebo pomaleji. Setrvačné síly směřují proti zrychlení, tzn. zabránit změnám rychlosti.
S rostoucí tažnou silou Na loď působí 3 síly: tah vrtule - dopředu, odporová síla- zpět, síla setrvačnosti je zpět.
Když tažná síla klesá: tažná síla - vpřed; S odolnost proti bahnu- záda; setrvačná síla - vpřed
Během zastavovacího manévru:Sodolnost proti bahnu- záda; setrvačná síla - vpřed;
Při zpětném chodu:
a) před zastavením lodi: odporová síla- záda; tažná síla - zpět; síla setrvačnosti je vpřed.
b) po zastavení a zahájení pohybu vzad: odporová síla- vpřed; tažná síla - zpět; síla setrvačnosti je vpřed.
Poznámka: vpřed - směr k přídi lodi; zpět - směr k zádi lodi.
Síly působící na loď při otáčení
Síly působící na loď při otáčení
Loď se pod vlivem posunutého kormidla otáčí. Pokud držíte kormidlo na palubě po určitou dobu, loď provede pohyb zvaný cirkulace. V tomto případě bude těžiště nádoby opisovat cirkulační křivku, která má tvar podobný kruhu.
Za začátek oběhu se považuje okamžik, kdy se kormidlo začne posouvat. Cirkulace je charakterizována lineárními a úhlovými rychlostmi, poloměrem zakřivení a úhlem driftu.
Cirkulační proces je obvykle rozdělen do tří období: manévrování - pokračuje po dobu posunu kormidla; evoluční - začíná od okamžiku přetočení kormidla a končí, když cirkulační charakteristiky nabývají ustálených hodnot; stabilní - začíná od konce druhé periody a pokračuje, dokud volant zůstane v posunuté poloze.
Lodní kormidlo je uvažováno jako svislé křídlo symetrického profilu. Proto při jeho řazení vzniká zvedací síla - boční síla volantu Рр.
Aplikujme na těžiště plavidla dvě síly rovné Pru a opačně nasměrované, P"ru a P""ru. Tyto dvě síly se vzájemně kompenzují, tj. neovlivňují trup lodi.
Poté na loď působí následující síly a momenty:
síla odporu kormidla Ррх - snižuje rychlost plavidla;
moment síly Rru R""ru - otočí loď směrem k posunutému kormidlu;
síla P "ru - posouvá těžiště ve směru opačném k zatáčce.
Síly působící na loď během evolučního období oběhu
Síly působící na loď během evolučního období oběhu
Otočení plavidla pod vlivem momentu síly Pru P""ru vede ke vzniku úhlu driftu. Trup lodi se začíná chovat jako křídlo. Objeví se vztlaková síla - hydrodynamická síla R. Aplikujme dvě stejné Ry a opačně směřující síly R"y R""y na těžiště plavidla.
Potom se kromě sil a momentů působících v režimu ovladatelného oběhu objeví následující:
brzdná síla Rx - dále snižuje rychlost plavidla;
moment síly Ry R"y - podporuje otáčení, zvyšuje se úhlová rychlost otáčení;
síla R""y - kompenzuje sílu R"ru a trajektorie je ohnuta ve směru zatáčky.
Síly působící během ustáleného období oběhu
Síly působící během ustáleného období oběhu
Jakmile se loď začne pohybovat po zakřivené dráze, objeví se odstředivá síla Rc. Každý bod podél délky plavidla popisuje jeho trajektorii vzhledem ke společnému středu O.
V tomto případě má každý bod svůj vlastní úhel driftu, jehož hodnoty se zvyšují, když se pohybují směrem k zádi. V souladu s vlastnostmi křídla je bod působení hydrodynamické síly R posunut dozadu za těžiště plavidla.
Jako výsledek:
síla Rtskh - snižuje rychlost lodi;
Rtsu síla - zabraňuje změnám v poloměru oběhu;
moment vzniklý hydrodynamickou silou Ru zabraňuje zvýšení úhlové rychlosti otáčení;
všechny cirkulační parametry mají tendenci ke svým ustáleným hodnotám.
Geometricky je trajektorie oběhu charakterizována:
Rezoluce IMO A.751 (18) „Střední standardy pro manévrovatelnost lodí“ navrhla pro nově postavené lodě tyto hodnoty:
1) přímý výtlak (předstih) - ne více než 4,5 délky lodi;
2) taktický průměr – ne více než 5 délek lodi.
Ovladatelnost plavidla při pohybu vzad
Ovladatelnost plavidla při pohybu vzad
Když se plavidlo pohybuje zpětně s kormidlem v poloze, působí na plavidlo následující síly a momenty (viz obrázek):
boční síla volantu Rru;
moment sil Rru a Rru otočí loď opačným směrem, než je posunuté kormidlo;
hydrodynamická síla Rу tvoří moment, který zabraňuje otáčení;
šikmé vrhání vody na kormidlo zmenšuje efektivní úhel kormidla o hodnotu rovnající se úhlu snosu a v důsledku toho klesá hodnota boční síly kormidla.
Výše uvedené faktory určují horší ovladatelnost plavidla vzad ve srovnání s dopředu.
Síly a momenty spojené s působením větru
Síly a momenty spojené s působením větru
Při uvažování sil a momentů větru se používá zdánlivá rychlost větru.
V souladu s vlastnostmi křídla při vystavení větru vzniká aerodynamická síla A.
Rozložením aerodynamické síly na podélnou a příčnou složku a aplikací dvou stejných a opačně směrovaných sil Ay a A"y na těžiště získáme:
výkon Ah - zvyšuje rychlost lodi;
moment sil Ау a А "у - otočí loď na pravou stranu;
síla A""y - způsobuje boční pohyb, který vede ke vzniku úhlu driftu a a hydrodynamické síle R;
podélná složka hydrodynamické síly Rx - snižuje rychlost plavidla;
moment sil Ry R""y, působící ve stejném směru s momentem sil Ау a А"у, otáčí loď ještě více;
síla R"y způsobí boční pohyb opačný k pohybu od síly A"y.
Pro udržení lodi v kurzu je nutné posunout kormidlo do určitého úhlu, aby se vytvořil moment boční síly kormidla Pru, kompenzující momenty aero- a hydrodynamických sil.
Pracovní vrtule současně vykonává translační pohyb rychlostí plavidla V vzhledem k nenarušené vodě a rotační pohyb s úhlovou rychlostí w = 2p n. Každý list vrtule je považován za samostatné křídlo.
Když je proud vody vržen na vrtuli, na každou lopatku se vytvoří síla, která je úměrná druhé mocnině rychlosti proudění a úhlu náběhu. Roztažením této síly ve dvou na sebe kolmých směrech získáme: tlačnou sílu směrovanou podél osy otáčení vrtule a odporovou sílu působící v rovině kotouče vrtule tečně ke kružnici popsané body na listu vrtule. při jeho rotaci.
Jelikož je provozní vrtule umístěna za trupem lodi, při jejím pohybu proudí voda na listy vrtule nestejnou rychlostí a pod různými úhly. V důsledku toho dochází k nerovnoměrnosti tahu a brzdných sil pro každou lopatku, což vede k tomu, že se kromě tahu vrtule objevují i boční síly, které ovlivňují ovladatelnost jednorotorového plavidla.
Hlavní důvody pro výskyt bočních sil jsou:
procházející proud vody nesený trupem při jeho pohybu;
reakce vody na fungující vrtuli;
nerovnoměrný průmět vodního paprsku z pracovní vrtule na kormidlo nebo trup plavidla.
Uvažujme vliv těchto důvodů na provoz pevných vrtulí (FSP) a stavitelných vrtulí (CVP) s pravotočivým chodem.
Vliv souvisejícího toku
V horní části vrtule bude rychlost souvisejícího proudění vody v důsledku tvaru obrysů těla větší než v její spodní části, což vede ke zvýšení úhlu náběhu proudu vody na horní list. . To lze ukázat uvažováním pohybu prvku listu umístěného v poloměru r od osy otáčení vrtule.
Když vrtule funguje, listový prvek se účastní rotačního pohybu s lineární rychlostí rovnou 2pr●n a translačního pohybu s rychlostí plavidla V.
Skutečná rychlost pohybu vpřed části listu vrtule je snížena o hodnotu DV související rychlosti proudění. V důsledku toho se úhel náběhu zvýší na hodnotu, což vede ke zvýšení sil dРх a dРу.
Integrací dРх a dРу po délce listu získáme hodnoty přítlačných sil (P1) a odporových sil (Q1) vytvářených listem vrtule v horní poloze. Tyto síly budou větší než síly P3 a Q3 vytvářené lopatkou ve spodní poloze. Nerovnoměrnost sil Q1 a Q3 způsobuje vznik boční síly DQ = Q1 - Q3, která má tendenci otočit záď lodi doleva ve směru větší síly.
Reakce vody na vrtuli
Reakce vody na vrtuli
Činnost vrtule je ovlivněna blízkostí vodní hladiny. V důsledku toho dochází k úniku vzduchu do lopatek v horní polovině vrtulového kotouče. V tomto případě mají horní lopatky menší reakční sílu na vodu než spodní. V důsledku toho vzniká boční reakční síla vody, která směřuje vždy ve směru otáčení vrtule - v posuzovaném případě doprava.
Při otáčení vrtule proudí vířivý proud vody na list kormidla v jeho spodní a horní části pod různými úhly náběhu. Ve spodní části je síla útoku menší než v horní části.
V důsledku toho vzniká boční síla, která má tendenci otočit záď doprava.
Celkový šroubový efekt: pro většinu lodí s vrtulí s pevným stoupáním a vrtulí nebo vzájemně.
V tomto případě je přidružený průtok zachován. Na rozdíl od případu diskutovaného výše však související proudění snižuje úhel náběhu.
V důsledku toho se odporová síla dPy na každém prvku lopatky snižuje. V horní poloze je tento pokles výraznější než v dolní poloze, protože ve spodní části je rychlost proudění menší. Proto bude výsledná odporová síla listů pro pevnou vrtuli směřována doleva.
Naprostá většina lodí má vrtule s levou rotací. U rotační vrtule je při změně pracovního režimu z dopředného na vzad zachován směr otáčení, mění se pouze stoupání vrtule: z levé vrtule se stává vrtule pravoúhlá. V důsledku toho bude výsledná tažná síla listů, stejně jako lodí s vrtulemi s pravým stoupáním, směřována doleva.
Reakce vody na vrtuli
Boční síla reakce vody na vrtuli, jak bylo uvedeno výše, směřuje vždy ve směru otáčení vrtule: jak u vrtule pevné, tak u vrtule rotační, doleva.
Vrtulový proud útočí na záď lodi.
V důsledku toho vzniká zvýšený hydrodynamický tlak a posuv se posune: pro pevnou vrtuli i pro vrtuli CV - doleva.
Celkový šroubový efekt: záď jde doleva.
Loď se pohybuje dozadu, vrtule se otáčí dozadu.
Jakmile se nádoba začne pohybovat zpět, procházející tok zmizí.
Reakce vody na vrtuli: doleva.
: doleva.
Celkový šroubový efekt: záď jde doleva.
4. Vliv lodních šroubů na ovladatelnost vícerotorového plavidla
4. Vliv lodních šroubů na ovladatelnost vícerotorového plavidla
Většina moderních osobních lodí, ledoborců a vysokorychlostních plavidel velké tonáže je vybavena dvou- nebo tříhřídelovými elektrárnami. Hlavním rysem vícerotorových lodí oproti jednorotorovým je jejich lepší ovladatelnost.
Vrtule dvoušroubových lodí, stejně jako boční vrtule tří šroubových lodí, jsou umístěny symetricky vůči rovině středové osy a mají opačný směr otáčení, obvykle stejný jako boční. Uvažujme ovladatelnost vícerotorových lodí na příkladu dvourotorové lodi.
Při současném pohybu vrtulí vpřed nebo vzad se boční síly způsobené souvisejícím prouděním, reakcí vody na vrtuli a proudem z vrtulí vrženým na kormidlo nebo trup vzájemně kompenzují, protože vrtule mají opačný směr otáčení. . Proto zde není tendence k naklánění zádi jedním nebo druhým směrem, jako u jednorotorového plavidla.
Jeden šroub jde dopředu, druhý se zastaví.
Dobře známou technikou působíme na těžiště dvěma silami, které se rovnají přítlačné síle vrtule Rl (na obrázku pracuje levá vrtule) a opačně orientovaným silám, získáme:
síla P""l způsobí pohyb lodi vpřed;
moment sil Rl a R"l otočí záď směrem k provozní vrtuli;
Z hydrodynamiky je známo, že fungující vrtule zrychluje proudění vody obtékající obrysy zádi a hydrodynamický tlak ze strany pracující vrtule klesá. V důsledku rozdílu tlaků vzniká síla Pd. Působením dvou stejných Rd a opačně směrovaných sil P"d a P""d na těžiště plavidla získáme: - moment sil Rd a P""d otočí záď směrem k pracovní vrtuli; síla P" d - posune střed lodi směrem k pracovní vrtuli .
Uvažovaný pohyb dvoušroubové lodi je tedy přibližně podobný pohybu jednošroubové lodi s posunutým kormidlem.
Jeden šroub pracuje pozpátku, druhý se zastaví.
Po provedení držení těla a uvažování podobně jako v předchozí části můžeme dospět k obecnému závěru, že záď lodi se naklání ve směru opačném než vrtule pracující vzad. Je třeba poznamenat, že síla Rd je v uvažovaném případě vytvářena zpětným proudem z vrtule vrhaným na zadní část trupu.
Otočení lodi na místě, když vrtule pracují proti sobě
Otočení lodi na místě, když vrtule pracují proti sobě
Plavidlo se dvěma šrouby se může otáčet téměř na místě, když vrtule pracují v opačných směrech (jedna vrtule pracuje vpřed a druhá v opačném směru). Rychlost otáčení se volí tak, aby přítlačné síly šroubů byly co do velikosti stejné.
Přibližné rovnosti sil je dosaženo, když stroj běžící vpřed dostane o jeden krok nižší rychlost než stroj běžící dozadu. Například: malý zdvih vpřed - střední zdvih vzad.
Otáčivý moment vzniká nejen díky umístění vrtulí na opačných stranách DP, ale také díky rozdílu tlaku vody po stranách záďového krytu, vytvářeného opačně nasměrovanými tryskami z vrtulí.
Mezi nevýhody dvoušroubových lodí patří snížená účinnost kormidla umístěného v DP. Proto při nízkých rychlostech, kdy hlavní část síly vznikající na volantu při jeho řazení je vytvářena proudem vody vrhaným vrtulí na volant, je hlavním způsobem ovládání manévrování strojů.
Lodě se třemi šrouby kombinují pozitivní manévrovací vlastnosti jedno- a dvoušroubových plavidel a mají vyšší manévrovatelnost, a to i při nízkých rychlostech. Při pohybu vpřed zvyšuje střední vrtule účinnost kormidla díky vrhanému proudu vrtule. Při zpětném chodu zajišťuje střední vrtule pohyb vpřed a zatáčky se provádějí činností bočních vrtulí.
5. Hlavní faktory ovlivňující ovladatelnost plavidla
5. Hlavní faktory ovlivňující ovladatelnost lodi
Konstrukční faktory.
Poměr délky k šířce plavidla ( L/B).Čím větší je tento poměr, tím horší je manévrovatelnost plavidla, což je spojeno s relativním zvýšením odporových sil vůči bočnímu pohybu plavidla. Proto mají široké a krátké lodě lepší manévrovatelnost než dlouhé a úzké.
Celkový koeficient úplnosti (d). S rostoucím koeficientem d se zlepšuje obratnost, tzn. Čím plnější jsou obrysy plavidla, tím lepší je jeho obratnost.
Konstrukce a umístění volantu. Konstrukce kormidla (jeho plocha a relativní prodloužení) má malý vliv na zlepšení manévrovatelnosti plavidla. Podstatně větší vliv má jeho umístění. Pokud je kormidlo umístěno ve šroubovém proudu, pak se rychlost vody proudící na kormidlo zvyšuje díky dodatečné rychlosti proudění způsobené šroubovým proudem, což poskytuje výrazné zlepšení obratnosti.
Na dvoušroubových lodích má kormidlo umístěné v DP poměrně nízkou účinnost. Pokud jsou na takových plavidlech instalovány dvě kormidelní listy za každou vrtulí, pak se obratnost prudce zvýší.
Rychlost plavidla
Tvar oběhu a jeho hlavní geometrické charakteristiky (prodloužení, dopředný posun, zpětný posun) závisí na počáteční rychlosti plavidla. Ale průměr zavedeného oběhu při stejném úhlu kormidla zůstává konstantní a nezávisí na počáteční rychlosti.
Ve větrných podmínkách ovladatelnost výrazně závisí na rychlosti plavidla: čím nižší rychlost, tím větší vliv větru na ovladatelnost.
Prvky přistání lodi
Oříznout. Zvýšení trimu na zádi vede k posunu středu bočního odporu ze střední části směrem k zádi, proto se zvyšuje stabilita směru plavidla a jeho obratnost se zhoršuje.
Na druhou stranu trim přídě prudce zhoršuje stabilitu kurzu – loď se vychyluje, což komplikuje manévrování ve stísněných podmínkách. Snaží se proto naložit loď tak, aby měla během plavby mírné vykrojení k zádi.
Banka. Rolování lodi narušuje symetrii proudění kolem trupu. Plocha ponořené plochy brady na podpatku se zvětší než odpovídající plocha brady na vyvýšené straně.
V důsledku toho má loď tendenci vyhýbat se ve směru opačném k náklonu, tzn. směrem k nejmenšímu odporu.
Návrh. Změna ponoru vede ke změně oblasti bočního odporu ponořené části trupu a oblasti větru. V důsledku toho se s rostoucím ponorem zlepšuje stabilita směru plavidla a zhoršuje se jeho obratnost a s poklesem ponoru je tomu naopak.
Snížení ponoru navíc způsobuje zvětšení plochy plachty, což vede k relativnímu zvýšení vlivu větru na ovladatelnost plavidla.
Všechny síly působící na loď se podle aktuálně uznávané klasifikace dělí do tří skupin: hnací, vnější a reaktivní.
Hnací síly zahrnují síly vytvářené ovládacími prvky, aby plavidlu poskytly požadovaný lineární a úhlový pohyb. Mezi takové síly patří tah vrtule, boční síla kormidla, síly vytvářené samohybnými děly atd.
Mezi vnější síly patří tlak větru, mořské vlny a proudy. Tyto síly, způsobené vnějšími zdroji energie, ve většině případů narušují manévrování.
Reaktivní síly zahrnují síly a momenty vyplývající z pohybu plavidla pod vlivem hnacích a vnějších sil. Reakční síly závisí na lineární a úhlové rychlosti.
Podle své podstaty se reaktivní síly a momenty dělí na setrvačné a neinerciální.
Setrvačné síly a momenty jsou způsobeny setrvačností nádoby a připojených hmot tekutiny. Tyto síly vznikají pouze za přítomnosti zrychlení – lineárního, úhlového, dostředivého.
Setrvačná síla je vždy směrována v opačném směru, než je zrychlení. Při rovnoměrném přímočarém pohybu nádoby nevznikají setrvačné síly.
Neinerciální síly a jejich momenty jsou způsobeny viskozitou mořské vody, jedná se tedy o hydrodynamické síly a momenty. Při zvažování problémů s ovladatelností se obvykle, jak již bylo uvedeno, používá pohyblivý souřadnicový systém spojený s nádobou s počátkem v c. t.(tG) Kladný směr os: X- do nosu; Y- směrem k pravoboku; Z - dolů. Pozitivní odečet úhlu se odečítá ve směru hodinových ručiček, ale s výhradami ohledně úhlu posunu, úhlu driftu a úhlu směru větru.
Za kladný směr posunu kormidla se považuje posun, který způsobí cirkulaci ve směru hodinových ručiček, tj. posun na pravobok (list kormidla se otáčí proti směru hodinových ručiček).
Za kladný úhel snosu se považuje úhel, při kterém proudění vody přichází z levoboku, a proto vytváří kladnou příčnou hydrodynamickou sílu na trup. Tento úhel driftu nastává na pravém oběhu cévy.
Obecný případ pohybu lodi je popsán soustavou tří diferenciálních pohybových rovnic: dvě rovnice sil - podél podélných X a příčné Y osy a rovnice momentů kolem svislé osy Z.
Tento systém v poněkud zjednodušené verzi vypadá takto:
kde m je hmotnost plavidla
λ 11 – přidané hmoty při pohybu po ose X;
λ 22 - přidané hmoty při pohybu podél osy Y;
V X – projekce rychlosti plavidla na osu X;
V Y - projekce rychlosti lodi na osu Y;
ω - úhlová rychlost plavidla;
J je moment setrvačnosti nádoby vzhledem k ose Z;
R X – podélná hydrodynamická síla na těleso;
R Y – příčná hydrodynamická síla na těleso;
PE – užitečná síla šroubového dorazu;
P PX – podélná síla tlaku vody na volant;
P PY – boční síla volantu;
A X – podélná aerodynamická síla;
A Y – příčná aerodynamická síla;
M R – moment hydrodynamické síly na těleso;
M A – moment aerodynamické síly;
M P – moment boční síly volantu.
První rovnice systému charakterizuje pohyb plavidla podél osy „X“ při zrychlování a brzdění, proto její řešení umožňuje vyhodnotit charakteristiky setrvačného brzdění plavidla. Druhá rovnice popisuje vzory laterálního posunu nádoby. Třetí rovnice, charakterizující úhlový pohyb, se používá k posouzení ovladatelnosti lodí. Z tohoto systému je zřejmé, že při rovnoměrném a přímočarém pohybu plavidla budou levé strany rovnic rovny nule a nebude docházet k žádnému příčnému pohybu. Na základě toho bude mít soustava rovnic tvar:
P e = R X + A X + P P X
G
P PX P e A X R X
Obr.5.5. Síly působící na loď při lineárním pohybu.
5.4 Síly vznikající při provozu vrtule.
Hydromechanická interakce systému tělo - vrtule - kormidlo je velmi složitá. Pohonné zařízení působící v blízkosti trupu lodi výrazně mění její rychlostní pole, což vede ke změně hydrodynamických sil působících na trup. Proud vody tekoucí na lodní šroub zase ruší trup pohybující se lodi. Vrtule má značný vliv i na volant umístěný za ní. V důsledku interakce systému trup - vrtule - kormidlo. Vzniká řada bočních sil, které je třeba neustále brát v úvahu a racionálně využívat při řízení manévrů lodi.
Síla procházejícího proudu.
Trup pohybující se ve vodě způsobuje procházející proudění směrované ve směru, kterým se plavidlo pohybuje. Důvody jeho vzhledu jsou tření hraničních vrstev vody na trupu lodi a touha masy vody vyplnit objem vytlačený trupem. Mezi rychlostí procházejícího proudění v místě vrtule V pA rychlost lodi PROTI existuje vztah V p= V (1-ω), kde ω je související průtokový koeficient. Jeho hodnoty pro různá plavidla se mohou lišit od 0,10 do 1,00. Vliv pouzdra na vrtuli se tak redukuje na pokles rychlosti proudění kolem vrtule.
Obr.5.6. Síla doprovodného proudu
Experimentálně bylo zjištěno, že v horní polovině vrtulového kotouče je rychlost souvisejícího proudění větší než v dolní polovině. Nerovnoměrnost rychlostního pole procházejícího proudění v kotouči vrtule na otáčku způsobuje změnu úhlu náběhu a tím i tlačných sil a momentů na listy procházející horní a dolní polohou. Čepel v horní poloze bude mít tedy větší úhel náběhu a v důsledku toho větší odpor vůči otáčení než čepel ve spodní poloze. V důsledku toho vzniká boční síla, která při stálé rychlosti vpřed (pravotočivá vrtule) nakloní záď plavidla doleva.
Síla souvisejícího proudění b se projevuje v největší míře při dopředné ustálené rychlosti způsobující naklánění zádě plavidla ve směru opačném k otáčení lodního šroubu.
Síla reakce.
Listy vrtule procházející horní polohou jsou mnohem blíže hladině vody než listy procházející spodní polohou. V důsledku toho je vzduch nasáván do horních vrstev vody. , což výrazně mění výkonové charakteristiky lopatky (tah a moment).
Vliv blízkosti vodní hladiny je nejvýraznější při mělkém zahloubení lodního šroubu (u dopravních plavidel jedoucích na zátěži list v horní poloze zpravidla vyjíždí z vody), při nerovnoměrném pohybu (rozjezd ze zastávky), a při zpětném chodu. Rozdíl v tahu a momentu na horní a spodní lopatky vede ke vzniku boční reakční síly D. Při ustálené rychlosti a s rostoucí hloubkou šroubu se účinek reakční síly prudce snižuje.
Obr.5.6. Působení reakční síly D.
V 1. sektoru narazí čepel při pohybu z polohy 1 do polohy 2 na odpor vody, jehož reakční síla bude směřovat nejprve zprava doleva (síla D 1 a poté zdola nahoru (síla D 2); ten neovlivňuje diametrální rovinu plavidla, ale vytváří vibrace na zádi
Ve 2. sektoru narazí čepel při pohybu z polohy 2 do polohy 3 na odpor vody, jejíž reakční síla směřuje nejprve zdola nahoru (síla D 2) a poté čepel překoná reakční sílu dostatečně husté vrstvy vody (síla D 3), směřující zleva doprava a mnohem větší než síla D 1 . V důsledku toho se záď lodi vychýlí doprava a příď doleva.
, střetává se s odporem vody, jejíž reakční síla bude směřovat zpočátku zleva doprava (síla D 3), poté čepel reakční sílu překoná D 4 , směrováno shora dolů. Tato síla neovlivňuje středovou rovinu plavidla, ale způsobuje vibraci zádi.
do polohy 1, naráží na odpor vody, jejíž reakční síla zpočátku směřuje shora dolů (síla D 4 ), a pak lopatka překoná reakční sílu méně hustých vrstev vody (síla D 1), směřující zprava doleva, výrazně menší než síla D 3. V důsledku toho se záď lodi vychýlí doprava a příď doleva.
Reakční síla D se projevuje v největší míře při neklidném pohybu způsobujícím naklánění zádi ve směru otáčení vrtule.
Síla vrženého proudu.
Jak se vrtule otáčí, roztáčí masy vody přiléhající k lopatkám a odhazuje je pryč, čímž vytváří silný spirálový tok. Při pohybu lodi vpřed působí toto proudění na kormidlo umístěné za vrtulí . Při zpětném pohybu proudění ovlivňuje záďové rameno plavidla. Spirálový tok generovaný šroubem může být reprezentován v axiální (axiální) a tangenciální (tangenciální) složce. Axiální složka, působící na směrové kormidlo umístěné za vrtulí, výrazně zvyšuje jeho účinnost a nezpůsobuje žádné boční síly. Při zpětném pohybu plavidla nezpůsobuje axiální složka, působící na symetrické obrysy zádi, také žádné boční síly.
Tangenciální složka při pohybu vpřed ovlivňuje list kormidla v levé horní a pravé dolní polovině.
Vzhledem k asymetrii rozložení procházejícího proudění podél ponoru plavidla, a tedy i výsledných obvodových rychlostí v proudění proudícím na kormidlo, bude dopad tečné složky na pravou dolní polovinu kormidla větší než na kormidlo. levá horní polovina. V důsledku toho vzniká boční síla projektovaného paprsku C.
Obr.5.7. Působení síly C
V 1. sektoru lopatka, pohybující se z pozice 1 do pozice 2, odhazuje vrstvy vody pryč z plavidla a nevytváří se žádná tlaková síla.
Ve 2. sektoru lopatka, pohybující se z polohy 2 do polohy 3, vrhá vrstvy vody na spodní plochu kormidla, kde je hustota vody mnohem větší.Směrovka by měla mít tendenci se vychylovat doleva, ale od r. je instalován ve středové rovině plavidla, síla vrženého proudnice se řítí na celou záď lodi a posouvá záď lodi doleva, a proto příď jde doprava. Označme tuto sílu pomocí S 1 .
Ve 3. sektoru se čepel přesune z pozice 3 do pozice 4 , bude odhazovat vrstvy vody z plavidla, a proto nebude působit žádná tlaková síla.
Ve 4. sektoru se čepel pohybuje z pozice 4 v poloze 1 opět vrhá vrstvy vody, ale z druhé strany než ve 2. sektoru a na horní část volantu. Označme tuto vrhací sílu S 2 . Účinek této síly bude menší než účinek vrhací síly proudnice S 1 ve 2. sektoru, kvůli nižší hustotě vody. To vede k následujícímu závěru: pravá rotující vrtule stálou rychlostí vpřed, působící na kormidlo, vychyluje záď plavidla doleva a příď doprava
§ 24. Síly působící na trup plovoucího plavidla
Trup lodi plovoucí na vodě je vystaven stálým a dočasným silám. Konstanty zahrnují statické síly, jako je hmotnost plavidla a tlak vody na ponořenou část trupu – podpůrné síly. Dočasné síly zahrnují síly, které se objevují, když se loď houpe na drsné vodní hladině: setrvačné síly hmot lodi a odporové síly vody.Síly působící na loď plovoucí na klidné vodě jsou i přes rovnost jejich výslednic rozloženy po délce trupu nerovnoměrně. Podpůrné síly, jak známo, jsou rozloženy po délce podle objemu trupu ponořeného do vody a jsou charakterizovány tvarem útvaru podél rámů. Hmotnostní síly jsou rozloženy po délce trupu v závislosti na umístění jeho prvků, jako jsou přepážky, nástavby, stožáry, mechanismy, instalace, břemena atd. Ve skutečnosti se ukazuje, že v jednom úseku po délce korby trupu převažují tíhové síly nad podpěrnými silami a na druhé straně - naopak.
Rýže. 39. Prohnutí trupu lodi způsobené nerovnoměrným rozložením sil na něj působících. 1 - křivka síly hmotnosti; 2 - křivka podporových sil.
Z neúměrného rozložení po délce tělesa vznikají tíhové a podpěrné síly celkové vybočení lodní trup (obr. 39).
Při plavbě lodi po drsném povrchu působí na její trup podpůrné síly, které neustále mění svou velikost v jednotlivých úsecích délky lodi. Tyto síly dosahují své maximální hodnoty, když se loď pohybuje po kurzu kolmém ke směru vlny, jejíž délka je rovna délce lodi. Když vrchol vlny prochází blízko středové části, ve střední části trupu se tvoří přebytečné podpůrné síly a na koncích je jich nedostatek. V tomto případě má za následek nerovnoměrné rozložení podpěrných sil ohyb pouzdra(obr. 40, a). Po krátké době se loď přesune na dno vlny, zatímco přebytečné podpůrné síly se přesunou do konců, což způsobí vychýlení trupu(obr. 40, b).
Vlivem kývání plavidla, ke kterému dochází ve vlnách, působí na trup setrvačné síly, které na něj působí dodatečně, a při plavbě vysokou rychlostí proti velké přilétající vlně, kdy spodní část přídě narazí na vodu ( jev slamming), vznikají další rázová nebo dynamická zatížení.
VLASTNOSTI SETRVAČNÉ BRZDY NÁDOBÍ
Síly a momenty působící na loď.
Systém rovnic pohybu lodi v
Vodorovná rovina.
Manévrovací vlastnosti plavidla.
Požadavky na obsah informací o
Manévrovací vlastnosti plavidla.
Obecné informace o setrvačných brzdách
Vlastnosti plavidla.
7. Vlastnosti reverzace různých typů
Lodní pohonné systémy.
Brzdění plavidla.
Plavidlo jako objekt kontroly.
Dopravní námořní plavidlo se pohybuje na rozhraní dvou médií: vody a vzduchu, přičemž zažívá hydrodynamické a aerodynamické vlivy.
Aby bylo dosaženo specifikovaných parametrů pohybu, musí být nádoba řízena. V tomto smyslu loď je řízený systém. Každý řízený systém se skládá ze tří částí: řídicí objekt, řídicí zařízení a řídicí zařízení (stroj nebo člověk)
Řízení – Jedná se o takovou organizaci procesu, která zajišťuje dosažení určitého cíle odpovídajícího úkolu řízení.
Když loď pluje po širém moři, úkolem řízení je při zajišťování jeho přechodu z jednoho bodu do druhého po přímé trajektorii, udržování daného kurzu a jeho periodickém upravování po obdržení pozorování. V tomto případě kurz je řízená souřadnice, a proces udržování jeho konstantní hodnoty je účel řízení.
Okamžitá hodnota řady souřadnic určuje stav plavidla v daném okamžiku. Tyto souřadnice jsou: kurz, rychlost, úhel driftu, boční posunutí vzhledem k obecnému kurzu a atd. Oni jsou výstupní souřadnice. Naproti tomu souřadnice, které jsou důvody pro řízený pohyb se nazývají vstup . Tento úhel kormidla a otáčky vrtule . Při volbě hodnot vstupních souřadnic se řídicí zařízení (autopilot, navigátor) řídí hodnotami výstupních souřadnic. Tento vztah mezi účinkem a příčinou se nazývá zpětná vazba.
Uvažovaný řízený systém je uzavřený, protože obsluhuje ovládací zařízení (navigátor). Pokud ovládací zařízení přestane fungovat, pak se systém stane otevřeným a chování ovládacího objektu (plavidla) bude určováno stavem, ve kterém jsou ovládací prvky upevněny (úhel kormidla, frekvence a směr otáčení vrtule).
V disciplíně "Řízení lodi" jsou studovány úkoly řízení lodi, jejíž pohyb nastává v těsné blízkosti překážek, tzn. ve vzdálenostech srovnatelných s velikostí samotného řídicího objektu, což vylučuje možnost považovat jej za bod (např. jako v kurzu „Navigace“).
Síly a momenty působící na loď
Všechny síly působící na loď jsou obvykle rozděleny do tří skupin: hnací, vnější a reaktivní.
K stěhovákům se vztahuje na síly vytvářené ovládacími prvky, které udělují nádobě lineární a úhlový pohyb. Mezi takové síly patří: tah vrtule, boční síla kormidla, síly vytvářené aktivními řídicími zařízeními (ACS) atd.
Na vnějšízahrnují tlak větru, mořské vlny a proudy. Tyto síly ve většině případů narušují manévrování.
K reaktivnímuse týká sil a momentů vyplývajících z pohybu plavidla. Reakční síly závisí na lineární a úhlové rychlosti nádoby. Podle své podstaty se reaktivní síly a momenty dělí na setrvačné a neinerciální. Setrvačné síly a momenty jsou způsobeny setrvačností nádoby a připojených hmot tekutiny. Tyto síly vznikají pouze tehdy, když přítomnost zrychlení - lineární, úhlová, dostředivá. Setrvačná síla je vždy směrována ve směru opačném ke zrychlení. Při rovnoměrném přímočarém pohybu nádoby nevznikají setrvačné síly.
Neinerciální síly a jejich momenty jsou způsobeny viskozitou mořské vody, jedná se tedy o hydrodynamické síly a momenty. Při zvažování problémů s ovladatelností se používá pohyblivý souřadnicový systém spojený s plavidlem s počátkem v jeho těžišti. Kladný směr os: X – k nosu; Y – směrem k pravoboku; Z – dolů. Pozitivní odečet úhlu se provádí ve směru hodinových ručiček, avšak s výhradami ohledně úhlu posunu, úhlu driftu a úhlu směru větru.
Za kladný směr posunu kormidla se považuje posun, který způsobí cirkulaci ve směru hodinových ručiček, tzn. posun na pravobok (kormidlo se otáčí proti směru hodinových ručiček).
Za kladný úhel snosu se považuje úhel, při kterém proudění vody přichází z levé strany, a proto vytváří kladnou příčnou hydrodynamickou sílu na trup lodi. Tento úhel driftu nastává na pravém oběhu cévy.
Obecný případ pohybu lodi popisuje soustava tří diferenciálních rovnic: dvě rovnice sil podél podélné osy X a příčné osy Y a rovnice momentů kolem svislé osy Z.
Vliv větru a proudu na plavidlo způsobuje hlavní zatížení kotevního řetězu při kotvení a určuje statický moment odporu na hřídeli elektromotoru při procesu odkotvení, kdy je plavidlo přitahováno na místo kotvy.
Ve stacionárním stavu, kdy se směr větru a proud shodují, dochází k největšímu vlivu vnějších sil na nádobu a zobecněná síla pro šroubové nádoby je určena aritmetickým součtem tří složek
F’ = FB + F’T + F’G
kde FB je síla působení větru na povrch plavidla;
F’T – proudová síla působící na podvodní část plavidla;
F'G je aktuální síla působící na pevné vrtule.
Síla vlivu větru na povrchovou část plavidla FB závisí na rychlosti a směru větru, tvaru povrchové části trupu, velikosti a umístění nástaveb. Vypočtenou hodnotu síly větru lze určit podle vzorce N
FB = Kn ∙ rv ∙ Sn
kde Kn = 0,5 ÷ 0,8 – součinitel obtékání povrchu trupu
рв = ρV2 / 2 – tlak větru, Pa;
ρ = 1,29 – hustota vzduchu, kg/m3;
V – rychlost větru, m/s
рв = 1,29 * 102/2 = 64,5 Pa
Plocha průmětu povrchové části plavidla na střední část, m2:
B – šířka plavidla, m;
H – výška strany, m;
T – ponor, m;
b, h – šířka a výška lodních nástaveb, resp.
Sn=11,6*(3,5-2,5)+11*2,5+10,5*5=91,6 m2
FB=0,5*64,5*91,6=2954,1 N
Odpor těla způsobený prouděním je zohledněn pouze třecím odporem, protože všechny ostatní typy odporu (vlna, vír) prakticky neexistují kvůli nízké rychlosti proudění, N
(1)
kde CT = 1,4 – koeficient tření;
Scm = L∙(δ∙B + 1,7∙T)
– plocha smáčeného povrchu nádoby, m2
Zde δ = 0,75 ÷ 0,85 – koeficient úplnosti posunutí;
L, B, T – hlavní rozměry nádoby, m;
Scm=78*(0,84*11,6+1,7*2,5)=1055,34 m2
VT – rychlost proudění vody, m/s (1,38 m/s)
F'T=1,4*1055,34*1,381,83=2663,7 N
(2)
kde ZG je počet vrtulí;
SG = 200 ÷ 300 – parametr, který se zvyšuje s rostoucím převodem vrtule, kg/m3;
DB – vnější průměr vrtule (trysky), m.
F’G=2*200*1,52*1,382=1713,96 N
F’=2954,1+2663,7+1713,96=7331,96 N
Bioplyn
Jedná se o směs metanu a oxidu uhličitého a je produktem metanové fermentace organických látek rostlinného a živočišného původu. Bioplyn označuje paliva získaná z místních surovin. Potenciálních zdrojů pro jeho výrobu je sice poměrně hodně, ale v praxi se jejich sortiment zužuje kvůli geografickým...
Stanovení hnacích sil v mechanismu kotoučové brzdy
Obrázek 3.2 - Konstrukční schéma kotoučové brzdy r1 - vnitřní poloměr brzdového kotouče, m; r2 - vnější poloměr brzdového kotouče, m; rср - průměrný poloměr pracovní plochy, m; dрц - průměr pracovního válce, m. Brzdová obložení jsou vyrobena ve formě prstencového sektoru. Akceptujeme třecí moment kotoučové brzdy s prstencovým obložením, N...
Výpočet oddělování hřebene
Obrázek 8 – Pro výpočet síly zámku. Předpokládáme, že lopatky jsou rovnoběžné, tj. b=0°. Rc.t.v. – poloměr těžiště ráfku. Rc.v. – odstředivá síla působící na ráfek. σrast. – tahové napětí působící na hřeben. Rc.t.v. = 0,296 m. Závěr: Vypočtené hodnoty tlakového a tahového napětí nepřesahují...
