Остойчивость и метацентрическая высота. Судно, яхта подвержены действию сил и моментов сил, стремящихся наклонить их в поперечном и продольном направлениях. Способность судна противостоять действию этих сил и возвращаться в прямое положение после прекращения их действия называется остойчивостью. Наиболее важной для яхты является поперечная остойчивость.
Когда судно плавает без крена, то силы тяжести и плавучести, приложенные соответственно в ЦТ и ЦВ, действуют по одной вертикали. Если при крене экипаж либо другие составляющие массовой нагрузки не перемещаются, то при любом отклонении ЦТ сохраняет свое первоначальное положение в ДП точка G на рисунке вращаясь вместе с судном.
В то же время вследствие изменившейся формы подводной части корпуса ЦВ смещается из точки Со в сторону накрененного борта до положения C1. Благодаря этому возникает момент пары сил D и gV с плечом l, равным горизонтальному расстоянию между ЦТ и новым ЦВ яхты. Этот момент стремится возвратить яхту в прямое положение и потому называется восстанавливающим.
При крене ЦВ перемещается по кривой траектории C0C1, радиус кривизны г которой называется поперечным метацентрическим радиусом, r соответствующий ему центр кривизны М - поперечным метацентром. Величина радиуса r и соответственно форма кривой C0C1 зависят от обводов корпуса. В общем случае при увеличении крена метацентрический радиус уменьшается, так как его величина пропорциональна четвертой степени ширины ватерлинии.
Очевидно, что плечо восстанавливающего момента зависит от расстояния - возвышения метацентра над центром тяжести: чем оно меньше, тем соответственно меньше при крене и плечо l. На самой начальной стадии наклона величины GM или h рассматривается судостроителями как мера остойчивости судна и называется начальной поперечной метацентрической высотой. Чем больше h, тем необходима большая кренящая сила, чтобы наклонить яхту на какой-либо определенный угол крена, тем остойчивее судно. На крейсерско-гоночных яхтах метацентрическая высота составляет обычно 0,75-1,2 м; на крейсерских швертботах-0,6-0,8 м.
По треугольнику GMN легко установить, что восстанавливающее плечо.
Восстанавливающий момент, учитывая равенство gV и D, равен:
Таким образом, несмотря на то что метацентрическая высота изменяется в довольно узких пределах для яхт различных размерений, величина восстанавливающего момента прямо пропорциональна водоизмещению яхты, следовательно, более тяжелое судно оказывается в состоянии выдержать кренящий момент большей величины.
Восстанавливающее плечо можно представить как разность двух расстояний:
lф - плеча остойчивости формы и lв-плеча остойчивости веса. Нетрудно установить физический смысл этих величин, так как lв определяется отклонением при крене линии действия силы веса от первоначального положения точно над C0, а lв - смещением на подветренный борт центра величины погруженного объема корпуса. Рассматривая действие сил D и gV относительно Со, можно заметить, что сила веса D стремится накренить яхту еще больше, а сила gV, наоборот,-выпрямить судно.
По треугольнику CoGK можно найти, что, где СоС- возвышение ЦТ над ЦБ в прямом положении яхты. Таким образом, для того чтобы уменьшить отрицательное действие сил веса, необходимо по возможности понизить ЦТ яхты. В идеальном случае ЦТ должен бы расположиться ниже ЦВ, тогда плечо остойчивости веса становится положительным и масса яхты помогает ей сопротивляться действию кренящего момента.
Однако только немногие яхты имеют такую характеристику: углубление ЦТ ниже ЦВ связано с применением очень тяжелого балласта, превышающего 60% водоизмещения яхты, чрезмерным облегчением конструкции корпуса, рангоута и такелажа. Эффект, аналогичный снижению ЦТ, дает перемещение экипажа на наветренный борт. Если речь идет о легком швертботе, то экипажу удается сместить общий ЦТ настолько, что линия действия силы D пересекается с ДП значительно ниже ЦВ и плечо остойчивости веса получается положительным.
У килевой яхты благодаря тяжелому балластному фальшкилю центр тяжести находится достаточно низко (чаще всего-под ватерлинией или слегка выше нее). Остойчивость яхты всегда положительная и достигает максимума при крене около 90°, когда яхта лежит парусами на воде. Разумеется, такой крен может быть достигнут только на яхте с надежно закрытыми отверстиями в палубе и с самоотливным кокпитом. Яхта с открытым кокпитом может быть залита водой при гораздо меньшем угле крена (яхта класса «Дракон», например, при 52°) и пойти ко дну не успев выпрямиться.
У мореходных яхт положение неустойчивого равновесия наступает при крене около 130°, когда мачта уже находится под водой, будучи направленной вниз под углом 40° к поверхности. При дальнейшем увеличении крена плечо остойчивости становится отрицательным, опрокидывающий момент способствует достижению второго положения неустойчивого равновесия при крене 180° (вверх килем), когда ЦТ оказывается расположенным высоко над ЦВ достаточно небольшой волны, чтобы судно приняло вновь нормальное положение-вниз килем. Известно немало случаев, когда яхты совершали полный оборот на 360° и сохраняли свои мореходные качества.
Строевые по шпангоутам и ватерлиниям. Для характеристики распределения сил водоизмещения по длине судна строят специальную эпюру, называемую строевой по шпангоутам. Для построения этой эпюры горизонтальная линия, выраженная в принятом масштабе теоретическую длину судна, делится на n одинаковых частей, равных числу шпаций на теоретическом чертеже судна.
На перпендикулярах, восстановленных в точках деления, откладывают в определенном масштабе величины площадей погруженных частей соответствующих шпангоутов и концы этих отрезков соединяют плавной линией. Площадь строевой по шпангоутам равна объему водоизмещения судна.
При отсутствии теоретического чертежа объемное водоизмещение судна можно приближенно определять по его главным размерениям:
V= k*L*B*T,
где L, B, T — соответственно длина, ширина и осадка судна; k — коэффициент полноты водоизмещения или общий коэффициент полноты.Значения коэффициента полноты k для различных типов судов принимаются по справочным данным.
Строевая по шпангоутам.
Так как центр величины судна находится в центре тяжести подводной части судна, а площадь строевой выражает собой объем подводной части, то абсцисса центра тяжести строевой по шпангоутам равна абсциссе центра величины судна.
Аналогичная эпюра, характеризующая распределение сил водоизмещения по высоте судна, называется строевой по ватерлинии.
Строевая по ватерлиниям.
Площадь строевой по ватерлиниям также равна объемному водоизмещению судна, а ордината ее центра тяжести определяет положение центра величины судна по его высоте.
Если учесть свойства строевых по шпангоутам и ватерлиниям, то определение местоположения центра величины судна сведется к вычислению абсциссы центра тяжести строевой по шпангоутам и ординаты центра тяжести строевой по ватерлиниям.
Вычисление площади погруженной части шпангоута методом трапеции. Для расчета крена и дифферента необходимо, кроме массы и положения ЦТ судна, знать eгo объемное водоизмещение и положение центра величины, ЦВ, который является центром тяжести объема воды, вытесненного корпусом судна. Простейшим способом расчета этих величин является построение строевой по шпангоутам .
В качестве базы для построения этой кривой служит линия ДП на полушироте теopeтическoгo чертежа, при чем линии теоретических шпангоутов продлеваются вниз. На каждой из этих линий в определенном масштабе следует отложить погруженную площадь соответствующего шпапгоута. Для остроскулых судов плоскодонныx или имеющих килеватость, рассчитать площадь шнаигоута нe представляет труда: достаточно разделить eгo на простые геометрические фигуры прямоугольники, треугольники, трапеции.
Этот же принцип можно применить и для расчета площадей шпангоутов круглоскулых корпусов, но более точный результат дает способ трапеций . Сущность eгo состоит в следующем. Если фигуру, ограниченную кривой линией, разделить равноотстоящими прямыми на достаточно большое число равных частей, то площадь каждой части можно вычислить как для трапеции:
Суммируя затем площади всех трапеций, можно получить площадь всей фигуры как сумму площадей всех трапеций:
Таким образом, для вычисления площади шпангоута необходимо найти сумму всех ординат yi по ватерлиниям за вычетом полусуммы ординат крайних ватерлиний – при ОП и КВЛ, и умножить результат на расстояние DT между ватерлиниями и на 2, так как расчет велся для половины шпангоута. Подобный же принцип может быть использован и для вычисления площади любой ватерлинии, которая делится теоретическими шпангоутами на равные по длине участки DL.
Найдя на проекции корпус погруженные площади каждого шпангоута Wi их откладывают вниз от ДП в определенном масштабе, затем проводят плавную кривую. Нетрудно сообразить, что если, сложить, например ординаты площадей шп. 5 и 6 и умножить на расстояние между шпангоутами DI, то получится объем части корпуса как усеченной пирамиды, имеющей основания в виде погруженных в воду частей щп.5 и 6. Следовательно, располагая cтроевой по шпангоутам, можно вычислить водоизмещение использовав тот же принцип трапеций,
Здесь все величины должны быть выражены в м и м2. Пользуясь правилом трапеций, можно найти и положение центра величины – ЦВ, поскольку он должен совпадать с положением центра тяжести строевой по ватерлинии относительно миделя. Для этого вычисляется статический момент площади, ограниченной строевой по шпангоутам, относительно мидель – шпангоута, при чем абсциссы носовых шпангоутов берутся со знаком плюс, кормовых – со знаком минус. При десяти теоретических шпангоутах:
Абсцисса ЦВ от миделя составляет:
Расчеты по определению координат центра тяжести судна
. Расчеты по определению координат центра тяжести судна
удобно вести в табличной форме, которая называется весовым журналом. В этот журнал заносятся веса всех элементов самого судна и всех грузов, находящихся на нем.
Если учесть свойства строевых по шпангоутам и ватерлиниям, то определение местоположения центра величины судна сведется к вычислению абсциссы центра тяжести строевой по шпангоутам и ординаты центра тяжести строевой по ватерлиниям.
Воспользовавшись известным из статики определением для статического момента площади, можно написать формулы для определения координат центра величины судна:
где wi и wi* — площади частей строевых, заключенных между двумя смежными шпангоутами или ватерлиниями; Xi, Yi, Zi — координаты центров тяжестей соответствующих площадей.
При ориентировочных расчетах
можно воспользоваться приближенными формулами для определения местоположения центра тяжести, центра величины и метацентра по высоте судна.
Ордината центра тяжести судна определяется по выражению:
где:
k — практический коэффициент, значение которого, например, для катеров лежит в пределах 0,68 — 0,73
h — высота борта судна.
Ординаты центра величины. Для вычисления ординаты центра величины рекомендуется формула академика В. Л. Поздюнина:
Zс = T/(1-b/a).
где Т — осадка
b(бетта) — коэффициент полноты водоизмещения
а(альфа) коэффициент полноты грузовой ватерлинии.
Диаграмма статической остойчивости. Диаграмма статической остойчивости.Очевидно, что полной характеристикой остойчивости яхты может быть кривая изменения восстанавливающего момента Мв в зависимости от угла крена или диаграмма статической остойчивости. На диаграмме хорошо различимы моменты максимума остойчивости (Ж) и предельного угла крена, при котором судно, будучи предоставлено само себе, опрокидывается (3-угол заката диаграммы статической остойчивости).С помощью диаграммы капитан судна имеет возможность оценивать, например, способность яхты нести ту или иную парусность при ветре определенной силы. Для этого на диаграмму остойчивости наносят кривые изменения кренящего момента Мкр в зависимости от угла крена. Точка Б пересечения обеих кривых указывает на угол крена, который получит яхта при статическом, с плавным нарастанием действии ветра. На рисунке, яхта получит крен, соответствующий точке Д, - около 29°. Для судов, имеющих явно выраженные нисходящие ветви диаграммы остойчивости (швертботов, компромиссов и катамаранов), плавание может быть допущено только при углах крена, не превышающих точки максимума на диаграмме остойчивости.
Сравнение обводов различных судов. При сравнении обводов различных судов и выполнении расчетов их мореходных качеств часто пользуются безразмерными коэффициенты полноты, объемов и площадей. К ним относятся:
— коэффициент полноты водоизмещения или общей полноты — δ , связывающий линейные размеры корпуса с его погруженным объемом. Этот коэффициент определяется как отношение объемного водоизмещения V по КВЛ к объему параллелепипеда, имеющего стороны, равные L, B и T;
Чем меньше коэффициент , тем более острые обводы имеет судно и, с другой стороны, тем меньше полезный объем корпуса ниже ватерлинии;
— коэффициент полноты площади ватерлинии — α и — β мидель – шпангоута; первый представляет собой отношение площади ватерлинии S к прямоугольнику со сторонами L и B;
Общее представление о форме наружной поверхности корпуса дает сечение его тремя взаимно перпендикулярными плоскостями (рисунок 5.1).
Вертикальная плоскость, идущая вдоль судна по середине его ширины и разделяющая судно на две симметричные половины (левый и правый борт), называется диаметральной плоскостью (ДП). Поверхность воды в спокойном состоянии, которая пересекает наружную обшивку судна, несущего все полагающиеся по роду его службы грузы, образует плоскость грузовой ватерлинии (ГВЛ). Эта плоскость отделяет подводную часть судна от надводной части. Поперечная плоскость, рассекающая судно по середине его длины, называется плоскостью мидель - шпангоута.
Рисунок 5.1 Расположение основных плоскостей. 1-плоскость мидель-шпангоута; 2- диаметральная плоскость; 3 - плоскость грузовой ватерлинии
Ряд плоскостей, параллельных ДП, образуют на поверхности судна линии батоксов (рисунок 5.2).
Рисунок 5.2 Линии пересечения наружной поверхности судна плоскостями, параллельными основным плоскостям: 1 - батоксы; 2 - форштевень; 3 - ватерлиния; 4 - шпангоуты; 5 - ахтерштевень.
Пересечения наружной обшивки с горизонтальными плоскостями образуют промежуточные ватерлинии, а с вертикально-поперечными - шпангоуты. При совмещении всех перечисленных сечений на одном чертеже получится обычная для судостроителей форма представления поверхности судна - теоретический чертеж (рис.3).
Исчерпывающее представление о форме корпуса судна дает его теоретический чертеж (рисунок 5.3). Он состоит из трех проекций, на каждой из которых изображаются сечения корпуса плоскостями, параллельными рассмотренным выше, -- ДП, пл. МШ и ОП. На теоретическом чертеже представляется теоретическая поверхность корпуса без учета наружной обшивки и выступающих частей.
Рисунок 5.3 Теоретический чертеж судна
Основные габаритные размеры корпуса принято называть главными размерениями. Это L -- длина судна; В -- ширина; Н -- высота борта; Т -- осадка. Первые три неизменны и относятся к геометрическим характеристикам корпуса в целом, последняя -- осадка -- может изменяться в широких пределах и определяет погруженный (подводный объем) судна. Обычно, когда говорят о главных размерениях судна, то принимают осадку по расчетную, или конструктивную, ватерлинию, соответствующую проектной загрузке судна.
Длина тоже должна быть конкретизирована. Различают длину между перпендикулярами L, по КВЛ Lквл, максимальную Lmах. Первые две близки между собой, последняя является габаритной. При изучении мореходных качеств судна, строго говоря, следует оперировать с длиной по ватерлинии, однако часто вместо нее принимают однозначно определенную величину -- Lхх.
Наиболее крупные современные суда достигают весьма внушительных размеров: их длина может превышать 400 м, ширина 60, а осадка в грузу составлять около 30 м.
Обобщенные характеристики формы. Наряду с теоретическим чертежом представление о форме корпуса судна дают обобщенные безразмерные характеристики -- соотношения главных размерений и коэффициенты полноты. От этих характеристик во многом зависят как мореходные, так и другие качества судна.
Основные соотношения главных размерений следующие: . Отношение, или, как его иногда называют, относительная длина, в значительной степени определяет ходовые качества: чем оно больше, тем относительно быстроходнее судно. У современных водоизмещающих судов эта величина колеблется в диапазоне. Нижний предел характерен для некоторых буксирных судов, верхний присущ высокоскоростным военным кораблям. Естественно, имеют место и исключения, так, например, некоторые спортивные лодки для академической гребли имеют > 25.
Отношение в основном влияет на остойчивость и качку. Чем оно больше, тем лучше с точки зрения остойчивости, хотя качка при этом делается более порывистой. Для современных морских судов.
Отношение - влияет на управляемость: его увеличение повышает устойчивость на курсе и ухудшает поворотливость.
Отношение -определяет остойчивость на больших углах наклонения и непотопляемость судна. Рост благоприятно влияет на оба эти качества.
Отношение влияет на прочность корпуса, чем выше это отношение, тем сложнее обеспечить общую прочность судна.
Основных независимых коэффициентов полноты три. Это коэффициент полноты площади ватерлинии
где S- площадь КВЛ;
коэффициент полноты мидель-шпангоута
где - площадь сечения мидель-шпангоута ниже ВЛ
коэффициент общей полноты
где V -- объем подводной части корпуса или объемное водоизмещение.
Как следует из (5.1) - (5.3), все коэффициенты полноты - суть отношения площадей (объема) соответствующих элементов к площадям (объему) описанных прямоугольников (параллелепипедов). Все эти коэффициенты меньше единицы, их численные значения для морских судов лежат в пределах: . Меньшие величины характерны для более быстроходных судов; верхние границы отвечают тихоходным судам с очень полными обводами (образованиями).
В некоторых расчетах теории корабля удобнее пользоваться производными от основных, дополнительными коэффициентами продольной ф и вертикальной полноты, физическая интерпретация которых ясна.
Пример 5.1. Некоторые из рассматриваемых теоретических положений и выводов будем иллюстрировать примерами. Большую их часть отнесем к одному судну, которому дадим имя «Инженер». Выбор названия не случаен: во-первых, первоначальный смысл слова инженер -- изобретатель, созидатель, во-вторых, инженер -- это основная движущая сила научно-технического прогресса, плоды которого еще не столь весомы, как хотелось; в-третьих, цель настоящей книги -- внести посильную лепту в превращение студента в квалифицированного инженера.
Итак, задано многоцелевое сухогрузное судно «Инженер», боковой вид которого приведен на рисунок 5.4, а основные характеристики таковы:
L mах = 181 м; V = 28700 м 3 ;
L ++ = 173 м; D = 29400 т;
В = 28,2 м; G = 288000 кН;
Т = 9,5 м; S = 3700 м 2 ;
Н = 15,1 м; щ мш = 261м 2 .
Судно имеет носовой бульб, машинное отделение сдвинуто в корму (промежуточное положение машинного отделения МО). Система набора комбинированная -- верхняя палуба и двойное дно набраны по продольной системе, борта по поперечной
Найдем соотношения главных размерений и коэффициенты полноты судна:
Коэффициент общей полноты по (5.3)
Коэффициент полноты площади ВЛ по (5.1)
Коэффициент полноты мидель-шпангоута по (5.2)
Рисунок 5.4 Судно «Инженер»
Величины коэффициента общей полноты и отношение -- дают основание полагать, что «Инженер» имеет достаточно острые обводы и относится к среднескоростным транспортным судам.
Элементы теоретического чертежа. В расчеты по теории корабля закладываются различные характеристики формы корпуса. К основным элементам теоретического чертежа относят:
- -- объемное водоизмещение V;
- -- координаты центра величины х с, z c ;
- -- площадь ватерлинии S;
- -- абсцисса центра тяжести площади ВЛ х F ;
- -- центральные моменты инерции площади ВЛ I Х и Iу;
- -- коэффициенты полноты б,в,д.
Центром величины называют центр тяжести (центр масс) подводного объема корпуса (объемного водоизмещения).
Строевая по ватерлиниям -- это зависимость площади ватерлинии от осадки, в силу она характеризуем и распределение объема в функции от осадки. Большинство современных транспортных судов имеет плоское днище, в этом случае зависимость S(Т) не исходит из начала координат (рисунок 5.5). Очевидно, что площадь, ограниченная строевой по ВЛ и осью ординат, -- суть объемное водоизмещение при заданной осадке Т. Строевая по ВЛ широко используется при решении задач о приеме и расходовании малого груза.
Грузовой размер представляет собой зависимость водоизмещения от осадки. На этот график, кроме объемного водоизмещения V, определенного по теоретическому чертежу, наносят еще и водоизмещение с учетом обшивки и выступающих частей V i , а также и массовое водоизмещение D (рисунок 5.6). Грузовой размер, в частности, используется при решении задач приема и снятия большого груза.
Рисунок 5.5 Строевая по ватерлиниям
Рисунок 5.6 Грузовой размер
Масштаб Бонжана представляет совокупность зависимостей площадей всех теоретических шпангоутов от их погружения щ(z). Величины указанных площадей определяются: в виде
Строится масштаб Бонжана на трансформированном контуре сечения корпуса диаметральной плоскостью. Трансформация заключается в том, что для удобства использования, линейные масштабы вдоль осей ох и оу выбираются различными (рисунок 5.7). От вертикальных линий, следов соответствующих теоретических шпангоутов откладывают доведенные до высоты верхней палубы значения площадей шпангоутов щ(z).
С помощью масштаба Бонжана можно определить водоизмещение по любую, в том числе и наклонную (для судна, сидящего с дифферентом), ватерлинию. Масштаб Бонжана используется при расчетах непотопляемости, продольного спуска судна, а также для других целей. Строевая по шпангоутам характеризует распределение объемов по длине судна и представляет собой зависимость площади шпангоута от его расположения вдоль оси ох при заданной осадке (рисунок 5.8).
Рисунок 5.7 Масштаб Бонжана
Рисунок 5.8 Строевая по шпангоутам
Строевая по шпангоутам может быть построена с помощью масштаба Бонжана для любой ватерлинии. Очевидно, что площадь, заключенная между строевой и осью ох, суть объемное водоизмещение. Строевая по шпангоутам, в частности, используется при расчете моментов, изгибающих судно.
ЛЕКЦИЯ №2
Геометрия судового корпуса. Главные размерения. Коэффициенты полноты. Классификация морских судов. Роль и задачи классификационных обществ.
Ограничительные поверхности и плоскости сечений корпуса судна, а также объемы почти невозможно описать математическими функциями. Поэтому для изображения формы корпуса рассекают его системой плоскостей (рис.1, 2).
Рис.1 – Система плоскостей корпуса судна
Геометрическая форма наружной поверхности корпуса судна изображается в виде теоретического чертежа (рис.3).
За плоскости проекций теоретического чертежа принимают следующие:
Основную плоскость (ОП), проходящую через средний прямолинейный участок линии киля
Диаметральную (вертикально-продольную), проходящую вдоль всего судна и условно делящую его на две симметричные части – правый и левый борт. Проекция судна на эту плоскость - бок .
Плоскость грузовой (ГВЛ) или конструктивной (КВЛ) ватерлинии, совпадающую с поверхностью спокойной воды при плавании судна по проектную осадку. Проекция судна на эту плоскость – полуширота .
Плоскость мидель-шпангоута (вертикально-поперечную), проходящую посредине расчетной длины судна и делящую его на две несимметричные части – носовую и кормовую. Проекция судна на эту плоскость - корпус .
Рис.2 - Изображение корпуса судна на теоретическом чертеже:
а - бок, b - корпус, с - полуширота, 1 - корпус носовой оконечности, 2 - диаметральная плоскость, 3 - корпус кормовой оконечности
Сечения судна плоскостями, параллельными плоскостям проекций, образуют три системы главных сечений: шпангоуты, ватерлинии и батоксы.
Рис.3 – Теоретический чертеж корпуса судна
Теоретический чертеж – основа всех судостроительных чертежей, например, положения и контура конструктивных шпангоутов (плазовый чертеж), разверток листов, а также теоретических расчетов судна (например, расчетов остойчивости и дифферента).
Главными геометрическими размерениями судна является его длина L , ширина B , высота борта H и осадка T (см. рис.4).
Длина наибольшая
- расстояние, измеренное в горизонтальной
плоскости между крайними точками носовой
и кормовой оконечностей корпуса без
выступающих частей.
Длина по
конструктивной ватерлинии
- расстояние, измеренное в плоскости
конструктивной ватерлинии между точками
пересечения ее носовой и кормовой частей
с диаметральной плоскостью.
Длина между
перпендикулярами
- расстояние, измеренное в плоскости
конструктивной ватерлинии между носовым
и кормовым перпендикулярами.
Рис.4 – Главные геометрические размерения судна
Длина по любой
ватерлинии
измеряется, как
.
Длина
цилиндрической вставки
- длина корпуса судна с постоянным
сечением шпангоута.
Ширина наибольшая
- расстояние, измеренное между крайними
точками корпуса без учета выступающих
частей.
Ширина на мидель-шпангоуте В - расстояние, измеренное на мидель-шпангоуте между теоретическими поверхностями бортов на уровне конструктивной или расчетной ватерлинии.
Высота борта Н - вертикальное расстояние, измеренное на мидель-шпангоуте от горизонтальной плоскости, проходящей через точку пересечения килевой линии с плоскостью мидель-шпангоута, до бортовой линии верхней палубы.
Высота борта
до главной палубы
- высота борта до самой верхней сплошной
палубы.
Осадка (Т ) - вертикальное расстояние, измеренное в плоскости мидель-шпангоута от основной плоскости конструктивной или расчетной ватерлинии.
Осадка носом
и осадка кормой
и
- измеряются на носовом и кормовом
перпендикулярах до любой ватерлинии.
Средняя осадка Т ср - измеряется, от основной плоскости до ватерлинии в середине длины судна.
Носовая и кормовая седловатость h н и h к - плавный подъем палубы от миделя в нос и корму; величина подъема измеряется на носовом и кормовом перпендикулярах.
Погибь бимса h б - разница по высоте между краем и серединой палубы, измеренная в самом широком месте палубы.
Надводный борт F - расстояние, измеренное по вертикали у борта на середине длины судна от верхней кромки палубной линии до верхней кромки соответствующей грузовой марки.
Форма судна в известной мере характеризуется следующими коэффициентами полноты и соотношениями главных размерений (см. рис.5):
Рис.5 – Определение коэффициентов полноты корпуса судна
Коэффициент
общей полноты водоизмещения
- отношение объема
подводной части корпуса к объему
прямоугольного параллелепипеда с
размерами ребер
,
,
,
в который вписывается этот объем (рис.5,
а):
.
Коэффициент
полноты площади ватерлинии
- отношение площади конструктивной
(грузовой) ватерлинии
к площади описанного вокруг нее
прямоугольника со сторонами
и
(рис.5, б):
,
Коэффициент
полноты площади мидель-шпангоута
-
отношение
погруженной части площади мидель-шпангоута
к площади описанного вокруг него
прямоугольника со сторонами
и
(рис.5, в):
,
Коэффициент
вертикальной полноты
корпуса
- отношение объема подводной части
корпуса
к объему прямого цилиндра с основанием,
ограниченным обводом конструктивной
ватерлинии и образующей, равной осадке
судна
:
.
Коэффициент
продольной полноты
- отношение
объема подводной части корпуса
к объему цилиндра, основание которого
очерчено обводом мидель-шпангоута, а
длина образующих равна длине судна
:
.
Основными
соотношениями главных размерений
являются
,
,
,
,
,
а также обратные им соотношения.
Увеличивающийся поток грузов, перевозимых морским путем, стремление к снижению транспортных расходов и к максимальной загрузке имеющихся портов, разнообразие перевозимых грузов, развитие технологии судостроения, а также становящийся все более популярным туризм, - все это привело к тому, что традиционное, действовавшее еще полвека назад деление судов на пассажирские и грузовые сейчас уже не принято.
Суда классифицируются: по АКТ, по району плавания, по типу движителя и двигателя, по характеру движения и, наконец, по назначению. По АКТ различают суда полнонаборные и шельтердечные (рис. 6).
Полнонаборные суда имеют палубу, идущую от кормы до носа, которая одновременно служит палубой надводного борта и палубой переборок, так как до нее доводятся поперечные водонепроницаемые переборки (рис. 6, а). Разновидности полнонаборных судов: трехостровное, колодезное и колодезное с квартердеком. Трехостровное судно (рис. 6, b) имеет три надстройки: в корме (ют), посередине судна (средняя надстройка) у в носу (бак). Этот тип судна был распространен в период между двумя мировыми войнами. Иногда кормовую и среднюю надстройки объединяли в сплошную кормовую надстройку. При этом между кормовой надстройкой и баком образовывался так называемый колодец. Отсюда название «колодезное судно» (рис. 6, с). Объем трюмов ограничивается в корме туннелем гребного вала и формой кормовой оконечности. Для компенсации главную палубу в этом месте иногда приподнимали (рис. 6, d), обычно на половину твиндека, и возник так называемый квартердек.
а - полнонаборное судно 1 - верхняя палуба и палуба переборок; 2 - запас плавучести; 3 - переборки; 4 - твиндек
b - трехостровное судно 1 - ют; 2 - средняя надстройка; 3 - бак; 4 - главная (верхняя палуба)
с -колодезное судно 1 - верхняя палуба; 2 - удлиненный ют; 3 - колодец; 4 - бак
d - колодезное судно с квартердеком 1 - квартердек; 2 - верхняя палуба; 3 - средняя надстройка; 4 - колодец; 5 - бак
е – шельтердечное судно 1 - главная палуба и шельтердек; 2 - обмерный люк; 3 - палуба надводного борта (палуба переборок); 4 - переборки
Рис.6 – Архитектурно-конструктивные типы судов
У полнонаборных судов и их разновидностей запас плавучести определяется объемом корпуса судна между ватерлинией при максимальной осадке и палубой переборок. На рисунке заштрихованная площадь соответствует запасу плавучести полнонаборных судов. Шельтердечные суда (рис. 6, е) обладают значительно меньшим запасом плавучести, чем полнонаборные. Верхняя палуба у шельтердечных судов служит одновременно главной палубой, а палуба переборок (палуба надводного борта) расположена ниже. На верхней палубе находятся надстройки, но они при обмере судна не принимаются во внимание, так как не являются непроницаемыми и сплошными. Эти надстройки показаны на рисунке темными прямоугольниками.
По району плавания различают суда неограниченного плавания, которые иногда называют также судами дальнего плавания или морскими судами, и суда ограниченного плавания (суда прибрежного плавания, суда для плавания в морских бухтах и т. д.
По типу главного двигателя различают суда с паровым двигателем (с поршневой паровой машиной и паровой турбиной); суда с двигателем внутреннего сгорания (с двигателем внутреннего сгорания и с газовой турбиной); суда с атомным двигателем. Это разделение судов по типу двигателя является весьма грубым.
По типу движителя суда с механическим приводом различают: суда с гребными колесами (в наше время почти не встречаются; суда с гребным винтом (винт фиксированного шага и винт регулируемого шага), который может также находиться в насадке; суда со специальным движителем (крыльчатым и водометным).
Другие, менее важные принципы классификации судов - по виду применяемого материала (суда из дерева, легких сплавов, пластмассы, железобетона) и по количеству корпусов (однокорпусные, двухкорпусные – катамараны и трехкорпусные – тримараны).
С развитием судостроения все актуальнее становится классификация судов по принципу движения на воде . Различают водоизмещающие суда (к ним относится подавляющее большинство морских судов) и суда, которые поддерживаются при движении динамической силой (суда на подводных крыльях и суда на воздушной подушке).
С точки зрения эксплуатации наиболее важным является деление судов по назначению, поскольку в последнее время быстро развивается специализация судов.
По назначению различают пассажирские суда, в том числе: линейные пассажирские лайнеры, круизные и каботажные пассажирские суда (для экскурсий и круизов) и грузовые суда, в том числе универсальные для генеральных грузов, контейнеровозы, накатные суда (суда с горизонтальной грузообработкой), баржевозы, для перевозки массовых грузов, танкеры, рефрижераторные и прочие суда для перевозки специальных грузов (например, для перевозки леса, машин, сверхтяжелых грузов и т.д.).
Грузовые суда можно подразделять также по виду их эксплуатации: на линейные суда, которые курсируют между портами по расписанию, и суда нерегулярного плавания (трампы), которые ходят в зависимости от накопления партии груза.
Следует еще назвать рыболовные суда (рыболовные исследовательские, промысловые, перерабатывающие суда-фабрики и транспортные для рыбы и рыбопродуктов), а также специальные и вспомогательные суда (для гидрографических и океанологических исследований, кабельные, буксиры, ледоколы, пожарные, спасательные и др.).
Морское судоходство - перевозка людей и грузов морем - издавна связано с определенным риском. Не всегда судно было в состоянии противостоять морской стихии. И в наше время случаются не только повреждения, но и гибель судов из-за неудовлетворительных прочности, остойчивости, надежности оборудования и оснащения судна, неправильного размещения груза, ошибок в судовождении, а также вследствие пожаров, столкновений и посадок на мели. Поэтому повышение безопасности плавания судов всегда было серьезной задачей. В XVIII-ом столетии возникли первые национальные классификационные общества, которые распределили морские суда того времени - парусные - на соответствующие классы в зависимости от их мореходности. После гибели участвовавшего в гонках за «Голубую ленту» пассажирского лайнера «Титаник» в 1912 г. был проведен ряд международных конференций по безопасности судов и приняты соответствующие конвенции.
После второй мировой войны в рамках ООН была образована Межправительственная морская консультативная организация (ИМКО), в компетенцию которой входит международное сотрудничество по вопросам безопасности в области судостроения и судоходства. Международная конвенция по охране человеческой жизни на море 1960 г. и новое Международное соглашение о грузовых марках 1966 г. признаны почти всеми правительствами судоходных государств и нашли отражение в юридических бюллетенях, правилах и т. д. Наряду с этим существуют и другие национальные правила, которые касаются безопасности судоходства и судов. Соблюдение правил постройки судов, которые содержатся в вышеназванных договорах и соглашениях, контролируется национальными классификационными или другими государственными органами.
Так как безопасность судна зависит главным образом от его прочности, остойчивости, надежности оборудования и оснащения, страховые общества при заключении договора определяют характеристики и состояние судна. Для того чтобы не ошибиться, страховые общества в прошлом держали на службе собственных экспертов, которые должны были судить о техническом состоянии судов. Возникшие позже объединения экспертов разделили все суда на классы в зависимости от их мореходности и присвоили каждому классу определенный знак. Первый печатный перечень, в котором определенными символами были обозначены характеристики судов, появился в 1764 г. в Англии - он был издан Регистром Ллойда. Это классификационное общество возникло в 1760 г. и наряду с французским Бюро Веритас, основанным в 1828 г., является старейшим. Все страны с развитым судоходством имеют собственные национальные классификационные организации, которые на основе опыта постройки и эксплуатации судов издают Правила их классификации, постройки и обеспечения безопасности судов.
Основные задачи классификационных обществ:
Разработка и издание Правил;
Проверка классификационной документации (чертежей) на новых и переоборудованных судах;
Приемка судов на верфях и надзор за постройкой новых судов, а также за ремонтом и переоборудованием старых;
Классификация и классификационные (ревизионные) осмотры судов, находящихся в эксплуатации;
Регистрация судов в судовом Регистре.
Издание Правил необходимо для того, чтобы информировать пароходства, проектные бюро и судостроительные верфи об условиях классификации. В них содержатся требования к материалам, размеры и условия изготовления деталей корпуса судна, правила монтажа механических и электрических установок, технология выполнения сварки и клепки, правила по оборудованию и оснащению, обеспечению необходимой остойчивости и защиты от пожаров. Кроме того, издаются Правила для особых типов судов и установок (танкеров, рудовозов и судов для массовых грузов, яхт, трюмных холодильных установок и т. д.). Существуют Правила, которые относятся к безопасности эксплуатации и движения судов, такие как Правила по обеспечению непотопляемости, Правила содержания радио-, теле- и навигационных установок, Предписания или рекомендации по размещению грузов - зерна, руды и т. д. Объем правил, публикуемых классификационными организациями, зависит от возложенных на них задач и данных им прав.
При проведении надзора за постройкой на верфи и классификации судов классификационные органы исходят из соответствующей документации. В документах (чертежах, расчетах, описаниях) должны содержаться все данные, которые необходимы для оценки прочности и надежности судна в целом или отдельных установок и частей оборудования. Постройку новых и переоборудуемых старых судов можно производить только после утверждения всей необходимой для этого документации.
При классификации судна исходят из того, что его корпус, установки, оборудование и устройства должны соответствовать требованиям, имеющим юридическую силу. Класс присваивается судну на несколько лет, если оно находится в удовлетворительном состоянии. На судне проводятся регулярные классификационные осмотры - ревизии. Обычно суда осматриваются раз в год на плаву с целью подтверждения класса и каждые 3-5 лет в доке для обновления класса. От этого правила бывают отклонения: суда с более сильным износом и старые, которые уже не имеют наивысшего класса, осматриваются через более короткие промежутки времени. Пассажирские суда раз в год, а грузовые и прочие морские суда один раз между двумя осмотрами по обновлению класса подвергаются осмотру днища в доке. Наряду с этими регулярными ревизиями проводятся также особые ревизии после аварии, пожара или другого повреждения судна.
Классификация судна подтверждается:
Присвоением ему класса;
Составлением аттестата класса судна (сертификата) и других документов, а также передачей их владельцу судна (судовладельцу, капитану).
Список судов, которым присвоен класс Регистра, ежегодно публикуется классификационными обществами.
С ростом интенсивности судоходства увеличилось также количество морских катастроф, в результате которых гибнут люди и большие материальные ценности. К причинам многих несчастных случаев следует отнести неудовлетворительное состояние предохранительных устройств, недостаточную прочность и неполноценное оборудование судов, а также слабую профессиональную подготовку членов экипажей. Поэтому морские страны договорились о минимальных требованиях, которые должны предъявляться к судам в отношении их безопасности. Первое соглашение 1914 года было в 1929 г. заменено Лондонской конвенцией об охране человеческой жизни на море (СОЛАС 1929), которая в 1948 и в 1960 гг. переиздавалась. Новые изменения были разработаны конференцией, проведенной в 1972 г. СОЛАС содержит требования, которые обязательны для всех судов (за исключением военных) государств - участников договора.
Эти требования в основном касаются:
Текущих осмотров и проверок судов, включая машинные установки, устройства и оборудование, а также составления свидетельств о безопасности;
Конструкции судна в отношении разделения корпуса пассажирских судов переборками и остойчивости поврежденных судов;
Выполнения и установки переборок пиков и машинного отделения, туннеля гребного вала, двойного дна;
Закрытия отверстий в водонепроницаемых переборках и в наружной обшивке ниже предельной осадки;
Водоотливных систем на пассажирских судах;
Документации по остойчивости для пассажирских и грузовых судов, а также планов обеспечения безопасности при поступлении воды для машин и электрических установок;
Противопожарной защиты, обнаружения и тушения пожаров на пассажирских и грузовых судах, а также общих мероприятий по борьбе с пожарами;
Оборудования пассажирских и грузовых судов спасательными средствами;
Оборудования судов телеграфными и радиотелефонными установками.
При проектировании формы судна учитывают ряд опытных величин - судостроительных характеристик, которые определяют не только различные качества судна, но и его экономичность. Характеристики формы описывают форму судна и тем самым его внешний вид через соотношения между главными размерениями длиной, шириной, высотой борта и осадкой, а также через соотношения площади ватерлиний, площади шпангоутов и водоизмещения с главными размерениями. Характеристики формы соотносятся обычно с конструктивной осадкой. В частности, они оказывают влияние на поведение судна в море, причем при выборе относительных величин учитывают в первую очередь требования к данному типу судна.
Отношение длины к ширине
L/B
влияет главным образом на скоростные качества судна, на его маневренность и остойчивость. Большие значения L/B
(длинные узкие суда) благоприятно сказываются на скорости судна и его устойчивости на курсе. Поэтому пассажирские и быстроходные грузовые суда имеют большие значения L/B
. При заданных скорости и водоизмещении при этих условиях уменьшается необходимая мощность двигателя, а устойчивость на курсе улучшается благодаря большей боковой поверхности подводной части судна (площадь проекции). Верхняя граница отношения L/B
определяется необходимой поперечной остойчивостью судов. Кроме указанных преимуществ, большое отношение ИВ позволяет увеличить объем корпуса пассажирских и больших грузовых судов и рационально распределить помещения на них. На экономичность этих судов колебание значений L/B
почти не влияет. Малые значения L/B
(короткие широкие суда) обеспечивают хорошую маневренность и остойчивость. По этой причине буксиры, которые должны иметь хорошую поворотливость и при боковой тяге троса часто испытывают рывки, влияющие на поперечную остойчивость, имеют особенно малые L/B
.
Отношение длины к высоте борта
L/H
у свободной балки (судно) представляет собой отношение длины балки к ее высоте. Это отношение имеет решающее значение для продольной прочности и изгиба корпуса судна. Малое L/H
, т. е. большая высота борта при заданной длине, требует меньших размеров для верхнего и нижнего поясков корпуса судна и дает при продольной нагрузке меньший прогиб, чем большое L/H
. Меньшие размеры поясков возможны как результат того, что на моменте сопротивления, требуемом для обеспечения продольной прочности, благоприятно сказывается увеличение высоты балки. По этой причине длинные надстройки в средней части судна включаются в верхний поясок (большая высота борта H
) судна. Из соображений прочности, а также в зависимости от района плавания, за максимально допустимые приняты следующие соотношения: при неограниченном плавании L/H
= 14; при большом каботажном плавании - L/H
= 15; для Северного моря - L/H
= 16; для Балтийского моря - L/H
= 17; при малом каботажном плавании - L/H
= 18. Для судов внутреннего плавания, которые не подвержены значительным нагрузкам от волнения, принимают существенно большие значения L/H
(до 30).
Отношение ширины к осадке B/T определяет преимущественно поперечную остойчивость и сопротивление движению судна. Так как остойчивость возрастает пропорционально третьей степени ширины, то суда с небольшим B/T (узкие суда с большой осадкой) имеют меньшую начальную остойчивость, чем суда с большим B/T (широкие суда с малой осадкой); впрочем, последние склонны к резкой качке на волнении. Поскольку, например, буксиры из-за малой высоты надводного борта не отличаются большой остойчивостью при значительных наклонениях, они, как и все другие небольшие суда, имеют обычно большое B/T , в то время как большие суда с высоким бортом имеют меньшие значения B/T . Сопротивление движению у судов с большим B/T больше, чем у судов с малым B/T .
Отношение высоты борта к осадке H/T характеризует запас водоизмещения, т. е. водоизмещение непогруженной водонепроницаемой части корпуса судна, и в значительной мере влияет на угол заката диаграммы статической остойчивости. Чем больше H/T , тем больше надводный борт и, следовательно, запас плавучести судна. Кроме того, угол заката диаграммы статической остойчивости существенно увеличивается благодаря большому надводному борту. Таким образом, суда с большим H/T , например, пассажирские суда, обладают большей остойчивостью, чем суда с малым H/T , так как первые при больших наклонениях судна (60° и больше) имеют еще восстанавливающий момент, что значительно уменьшает опасность опрокидывания.
Коэффициенты полноты
Коэффициент полноты конструктивной ватерлинии
α
- отношение площади КВЛ к площади прямоугольника, стороны которого равны L
и В
. Чем меньше этот коэффициент, тем острее ватерлиния. Обычно суда с большим L/В
(длинные узкие суда) имеют большие коэффициенты полноты КВЛ, чем короткие широкие суда.
Коэффициент полноты мидель-шпангоута
β
- отношение погруженной площади мидпь-шпангоута к площади прямоугольника со сторонами В
и Т
. На него существенное влияние оказывает форма шпангоутов, а также подъем и радиус скулы. Чем больше подъем и радиус скулы (например, у малых рыболовных судов, буксиров и ледоколов), тем меньше коэффициент полноты мидель-шпангоута.
Коэффициент общей полноты
δ
- отношение объема подводной части судна к объему тела со сторонами L
х В
х Т
. Этот коэффициент до некоторой степени характеризует форму судна в отношении остроты и оказывает существенное влияние на водоизмещение (грузоподъемность); с другой стороны, с ростом δ
увеличивается сопротивление судна. Напротив, судно при заданном водоизмещении с уменьшением коэффициента полноты становится длиннее, не становясь при этом тяжелее, так как потребная мощность двигателя при заданной скорости уменьшается, вследствие чего потребность в топливе становится меньше. Такое судно будет более рентабельным еще и потому, что оно длиннее и, следовательно, может иметь больше трюмов.
Коэффициент продольной полноты φ - отношение водоизмещения к объему тела, основанием которого служит площадь мидель-шпангоута, а высотой - длина судна. Этот коэффициент всегда немного больше, чем коэффициент общей полноты, и лучше характеризует остроту оконечностей судна. Большой коэффициент полноты мидель-шпангоута означает полные оконечности судна, небольшой - напротив, узкие. Однако при сравнении двух судов всегда нужно учитывать отношение L/В . При больших L/В (длинные узкие суда) коэффициенты полноты мидель-шпангоута или общей полноты могут быть больше, чем при малом L/В (короткие широкие суда); при этом обводы не становятся полнее.
Указанные выше коэффициенты полноты взаимосвязаны, поэтому их нельзя выбирать произвольно. Перечисленные характеристики формы (относительные величины и коэффициенты полноты) во многом определяют поведение судна в море, сопротивление движению и рентабельность судов и, кроме того, взаимно влияют друг на друга.
4.4.3 Сопротивление движению - число Фруда
При движении у носа и кормы судна создаются волны, которые с увеличением скорости становятся больше. Это объясняется тем, что с увеличением скорости движения в кормовой части судна возникает значительное разрежение, а в носовой - зона повышенного давления. Энергия, израсходованная на образование волн, является волновым сопротивлением, величина которого определяется скоростью и длиной судна. Характеристикой волнового сопротивления судна является отношение скорости к длине, называемое числом Фруда:
Fr = v / √gL
Эта характеристика позволяет сравнивать суда различных размеров, что дает возможность определить сопротивление и тем самым мощность двигателя для строящегося судна с помощью буксировочных испытаний моделей. Скорости судна и модели соотносятся как квадратные корни из их линейных размерений:
Это означает, например, что строящемуся судну длиной 130 м, шириной 14 м с осадкой 6,6 м, с водоизмещением 5900 т и скоростью 25 уз (12,86 м/с) соответствует скорость модели 2,572 м/с при длине ее 5,2 м. При этой скорости у модели возникает волнообразование, которое геометрически подобно волнообразованию натурного судна. Измеренное при этом сопротивление содержит, однако, не только волновое сопротивление, но и еще один компонент - сопротивление трения, которое возникает вследствие тормозящего действия воды, протекающей мимо корпуса. Сопротивление трения зависит от площади смоченной поверхности корпуса, от ее качества (степени шероховатости) и от скорости. Его можно рассчитать с достаточной точностью по опытным данным как для модели, так и для судна. Если полное сопротивление модели уменьшить на расчетный коэффициент трения, получится волновое сопротивление модели. При пересчете действует положение, что волновые сопротивления двух геометрических подобных тел - судна и модели - соотносятся как их водоизмещения. Но это простое соотношение справедливо только тогда, когда судно и модель движутся со сравнимыми скоростями, так что возникают геометрически подобные волнообразования. Если к волновому сопротивлению (определенному опытами на модели) прибавить расчетное сопротивление трения, получится полное сопротивление судна. В нашем примере при модельных испытаниях было определено волновое сопротивление в 0,31 МН и путем расчета - сопротивление трения в 0,35 МН. Полное сопротивление судна составляет, таким образом, 0,66 МН. Разумеется, при окончательном определении потребной мощности двигателей нужно учитывать также воздушное и вихревое сопротивления.
Доля волнового сопротивления и сопротивления трения в полном сопротивлении зависит от формы судна и его скорости. У больших тихоходных судов волновое сопротивление составляет примерно 20%, а у очень быстроходных - до 70% полного сопротивления. Составляющие нагрузки судна
Водоизмещение судна - это масса объема воды в тоннах, вытесненная корпусом до допустимой грузовой ватерлинии, которая по закону Архимеда равна массе судна. Масса судна складывается из собственной массы судна и его грузоподъемности (массы полезного груза).
В собственную массу судна порожнем входят:
Корпус судна, оборудованный инвентарем и запасными частями; готовая к эксплуатации энергетическая установка с инвентарем и запасными частями; вода в котлах, трубопроводах, насосах, конденсаторах, охладителях;
Топливо во всех эксплуатационных трубопроводах;
Углекислота и рассол или другие эксплуатационные материалы в холодильных установках и противопожарных системах;
Остаточная вода в льялах и цистернах, которая не может быть удалена насосами, а также сточные воды и влага.
Грузоподъемность в тоннах с объемом трюмов и эксплуатационной скоростью - важнейшая экономическая характеристика судна; она должна гарантироваться верфью, так как занижение ее наказывается договорными штрафами. Валовая грузоподъемность - дедвейт судна - включает все массы, которые не относятся к водоизмещению судна порожнем, такие как:
Полезный груз (включая почту);
Экипаж и пассажиры с багажом;
Все эксплуатационные материалы (запасы топлива, смазочные материалы, масла, котельная питательная вода) в цистернах для запасов;
Судовые запасы, такие как краски, керосин, дерево, смола, канаты;
Запасы для экипажа и пассажиров (питьевая вода, вода для мытья и провизия);
Оборудование для крепления грузов, такое как деревянные упоры, брезенты и мачты, продольные полупереборки для сыпучих грузов;
Специальное оборудование у особых типов судов, например промысловое оборудование (сети, тросы, тралы).
Между важнейшими составляющими нагрузки существуют определенные соотношения, которые влияют также на экономичность судов.
Отношение водоизмещения судна порожнем к водоизмещению в полном грузу зависит главным образом от типа судна, района плавания, скорости судна и от конструкции корпуса. Так, например, водоизмещение грузового судна порожнем с нормальной эксплуатационной скоростью (14-16 уз) без ледовых подкреплений составляет примерно 25% водоизмещения в полном грузу. У ледокола, который должен иметь мощные двигатели и особо усиленный корпус, водоизмещение порожнем составляет примерно 75% полного водоизмещения. Если грузовое судно имеет полное водоизмещение 10 тыс. т, то водоизмещение порожнем составляет примерно 2,5 тыс. т, а его дедвейт примерно 7,5 тыс. т, в то время как большой ледокол такого же водоизмещения имеет водоизмещение порожнем примерно 7,5 тыс. т и дедвейт 2,5 тыс. т.
Отношение массы энергетической установки к полному водоизмещению определяется скоростью судна, типом двигателя (дизельная, паротурбинная, дизель-электрическая установка и т. д.), а также типом судна. Повышение скорости судна при одинаковом типе установки всегда ведет к увеличению мощности двигателя и, следовательно, к увеличению названных отношений.
У судов с дизельной установкой масса двигателя больше, чем у судов с установками других типов. Поскольку к энергетической установке относятся также вспомогательные механизмы для производства электрической энергии и силовые установки холодильников, то масса энергетических установок пассажирских, рефрижераторных и промысловых судов больше, чем масса установок обычных грузовых судов такого же водоизмещения. Так, масса энергетической установки грузовых судов составляет 5-10%, пассажирских судов - 10-15%, рыболовных судов 15-20%, а буксиров и ледоколов, как правило, даже 20-30% полного водоизмещения.
Отношение массы корпуса судна к водоизмещению определяется массой голого корпуса судна и массой его оборудования. Все эти массы зависят от типа судна и, следовательно, от его назначения. На массу корпуса судна влияют не только его главные размерения и их соотношения, но и объем надстроек и ледовых подкреплений. Существенную роль играет также система набора и применение конструкционных сталей высокой прочности, особенно для судов длиной более 160 м.
Масса оборудования зависит от назначения судна; например, у пассажирских судов из-за пассажирских кают, общественных, хозяйственных помещений и др. или у рыболовных судов (промысловых и обрабатывающих) из-за кают для экипажа, машин для переработки рыбы и оборудования холодильников она существенно больше, чем у обычных грузовых судов и танкеров.
Отношение дедвейта к полному водоизмещению (коэффициент использования водоизмещения по дедвейту) лучше всего характеризует экономичность грузовых судов (если не говорить о скорости судна). У буксиров и ледоколов дедвейт определяет в первую очередь дальность плавания (длительность рейса), так как у судов этих типов дедвейт расходуется главным образом на топливные материалы и запасы.
Самый большой коэффициент использования водоизмещения по дедвейту имеют грузовые суда и танкеры (от 60 до 70%), самый маленький - буксиры и ледоколы (от 10 до 30%).
4.4.4 Особенности формы корпуса судна
Форма корпуса судна определяется его типом и назначением. Существенное влияние на форму оказывают дедвейт, необходимый объем трюмов, количество палуб, скорость и поперечная остойчивость. Наряду с этим на форму корпуса могут оказать влияние ограничения по длине, высоте и осадке, связанные с размерами шлюзов и пролетами мостов, с глубиной фарватеров, а также с необходимостью решения специальных задач (например, буксирных или ледокольных работ).
Форма подводной части корпуса до конструктивной ватерлинии определяется соотношениями главных размерений и коэффициентами полноты, причем часто неизбежным оказывается компромиссное решение. Так, для грузовых судов обычно принимают не те коэффициенты полноты, которые необходимы для получения минимальной мощности главных двигателей и запасов топлива, а более высокие коэффициенты полноты, с тем чтобы получить большую грузоподъемность. Только для быстроходных грузовых судов (например, рефрижераторных) принимают малые, т. е. благоприятные, коэффициенты полноты с учетом их скоростных качеств.
Как правило, форма судна выбирается следующим образом. Конструктивная ватерлиния образует в носовой оконечности угол с диаметральной плоскостью, величина которого в зависимости от полноты судна составляет 10-25°. В кормовой оконечности этот угол принимают, чтобы избежать отрыва вихрей, 18-20°. В корме ниже конструктивной ватерлинии у двухвинтовых судов шпангоутам придают V-образную форму, а у одновинтовых U-образную, чтобы получить максимально благоприятные условия обтекания в области гребного винта. В районе крейсерской кормы шпангоуты выполняются такой формы, что они пересекают конструктивную ватерлинию не очень плоско, так, что при незначительном увеличении осадки (при дифференте на корму) ватерлиния не становится слишком полной и сопротивление движению не очень увеличивается. Выше грузовой ватерлинии шпангоуты в оконечностях судна обычно выполняют с развалом, чтобы получить максимальный резерв выталкивающей силы для уменьшения килевой сачки, отражения заливающей палубу волны и увеличения площади палубы в оконечностях судна.
 |
| Крейсерская корма: а - одновинтовое судно, b - двухвинтовое судно |
Форма фор- и ахтерштевней во многом определяет общий вид судна. Однако формы оконечностей выбирают не только с эстетической точки зрения, но и с точки зрения сопротивления судна (бульбовый нос). Определенную роль играет также назначение судна; для ледоколов, например, созданы специальные ледокольные штевни, которые позволяют судну всем весом носовой оконечности ложиться на поверхность льда и ломать его. Для этого слом ватерлинии форштевня должен быть выпуклым, а угол входа не слишком большим. чтобы льдины могли беспрепятственно отходить назад. Выкружкам гребных валов у двухвинтовых судов придают такую форму, чтобы набегающий поток попадал на гребной винт против направления его вращения. Поэтому они устанавливаются не вертикально к шпангоутам а, начинаясь под углом 90°, к концу сходят к горизонтали примерно под углом 25°. На основании практического опыта и модельных испытаний было создано несколько типов форм обводов, которые соответствуют требованиям в отношении грузоподъемности, скорости, остойчивости и мореходности. Для судов больших размеров и серийной постройки обычно проводят модельные испытания, чтобы привести в соответствие мощность двигателя го скоростью.
4.4.5 Единицы измерения в судоходстве
В связи с сохранившейся до нашего времени важной ролью англоязычных стран в судостроении и судоходстве, на практике и в специальной литературе, наряду с международной системой единиц, пока используются также англосаксонские основные единицы.
Одновременно с навигационной милей в судоходстве при определении местонахождения судна в море и для измерения скорости применяется морская миля: 1 морская миля = 1/60 градуса меридиана = 1852,01 м.
Эта единица получится, если взять две прямые, выходящие из центра Земли с углом раскрытия в 1 минуту =1/60 градуса, и измерить расстояние между ними по периметру Земли (большой круг). Так как окружность содержит 360 градусов =21600 минутам, то, следовательно, морская миля равна 1/21600 части окружности Земли, которая составляет примерно 40000 км. Из единицы длины 1 м.миля путем соотнесения ее с единицей времени 1 ч выводится скорость в узлах (уз): 1 узел=1 м.миля/ч = 1,852 км/ч.
Из этих единиц длины выводятся единицы площади и объема. 1 регистровая тонна является основной единицей и служит для измерения вместимости судна.
Значительную роль при определении количества груза играют единицы массы; в международном товарообмене, помимо общепринятых, употребляются также следующие английские единицы массы:
1 длинная тонна = 20 длинных центнеров = 80 длинных квортеров = 160 стон = 2240фунтов = 1016,047 038 кг
1 фунт (фунт) - 0,454 кг
1 стон = 6,350 кг
1 длинный квортер = 12,701 кг
1 длинный центнер = 50,802 кг
Наряду с английскими единицами массы применяются американские единицы, которые совпадают с английскими. Однако при заключении фрахтовых договоров различают:
Метрическую тонну (т) = 1000 кг - при морских перевозках между немецкими, скандинавскими, голландскими, бельгийскими, французскими и другими портами, т. е. между странами, в которых принята метрическая система;
Английскую тонну - длинную тонну (long ton) = 1016 кг - при морских перевозках из Великобритании и в Великобританию (применяются, однако, и метрические тонны);
Североамериканскую тонну - короткую тонну (short ton) = 907 кг, - если речь идет о североамериканском регионе.
Полная грузоподъемность (дедвейт) получается из полного водоизмещения судна за вычетом массы порожнего, готового к эксплуатации судна. Грузоподъемность судна выражается, таким образом, массой груза, которую может принять на борт порожнее готовое к эксплуатации судно до летней грузовой марки. Полезный груз судна получается путем вычитания из полной грузоподъемности (дедвейта) масс таких составляющих, как:
Экипаж и пассажиры с вещами или багажом;
Запасы топлива и смазочных материалов;
Провиант и пресная вода (вода для питания котлов, мытьевая и питьевая вода);
Боцманские запасы, машинные запасы и упаковочные материалы.
Таким образом, полезный груз является величиной, зависящей от массы производственных материалов (топливо и вода), т. е. от дальности плавания судна. У грузовых судов полезный груз составляет примерно 90% грузоподъемности (дедвейта).
Грузовместимость судна - это объем всех трюмов в кубических метрах, кубических футах или в «бочках» по 40 кубических футов. Говоря о вместимости трюмов, различают вместимость по штучному (тюки) и сыпучему (зерно) грузу. Это различие вытекает из того, что в одном трюме из-за флоров, шпангоутов, ребер жесткости, переборок и т. д. сыпучего груза можно разместить больше, чем штучного груза. Трюм для генерального груза составляет примерно 92% трюма для сыпучего груза. Расчет вместимости судна производит судостроительная верфь; вместимость указывается на эпюре емкости, причем она не имеет ничего общего с официальным обмером судна, речь о котором пойдет в следующем разделе.
Удельная грузовместимость - это отношение вместимости трюмов к массе полезного груза. Так как масса полезного груза определяется массой необходимых эксплуатационных материалов, то удельная грузовместимость подвержена незначительным колебаниям. У грузовых судов для генерального груза удельная грузовместимость составляет примерно от 1,6 до 1,7 м 3 /т (или от 58 до 61 куб. футов).
4.4.6 Обмер судов
Для определения величины судно обмеряют. В 1854 г. после введения метода обмера Мурсома (D. Moorsom) в Англии величину судна стали определять с помощью меры внутреннего пространства. Мера в 100 куб. футов называется «тонной» (бочкой); отсюда, поскольку результаты обмера вносятся в судовой регистр, возникла регистровая тонна: 1 рег. т = 100 куб. футам = 2,83 м3.
Тонна в качестве меры объема используется со времен торгового союза Ганзы, когда величину судна (грузовместимость) определяли количеством вмещающихся в трюмы бочек. Грузоподъемность или водоизмещение в то время не считали подходящими мерами для определения величины судна.
Метод обмера по Мурсому (иногда со значительными отклонениями) с тех пор является основой при составлении Правил обмера для многих государств и акционерных обществ, эксплуатирующих каналы, через которые осуществляются морские перевозки, а также при составлении международных Правил обмера судов.
Обмер судна является административным актом, который проводится особыми государственными органами и оформляется составлением официального документа - мерительного свидетельства, в котором указываются брутто-вместимость (валовая), нетто-вместимость (чистая) и размеры идентичности судна.
Результаты обмера служат коммерческим и статистическим целям. В соответствии с ними устанавливаются законы об уплате портовых и лоцманских пошлин, пошлин за прохождение каналов и об уплате других налогов, производится набор команды на суда и статистический учет брутто-регистрового тоннажа торгового флота соответствующей страны. Кроме того, данные обмера важны для технического оборудования судна аварийным инвентарем, рулевыми и другими устройствами, противопожарными средствами, телеграфными, радио- и пеленгаторными установками и др. Брутто-регистровый тоннаж флотов отдельных стран учитывается при определении состава участников международных конференций, принимающих различные конвенции, и т. д.
В ряде стран применяются международные Правила обмера морских судов согласно Соглашению о единой системе обмера судов, заключенному 10 июня 1947 г. в г. Осло. В результате этого обмера составляется международное мерительное свидетельство, которое признается всеми странами - участниками соглашения без дополнительной проверки. Наряду с международным мерительным свидетельством существуют еще национальные мерительные свидетельства и мерительные свидетельства для прохода через Суэцкий и Панамский каналы. По международной системе обмера определяют валовую вместимость и путем определенных вычетов - чистую вместимость.
Валовая вместимость (ВRТ) - это общая вместимость всех водонепроницаемо-закрытых помещений; таким образом, она указывает общий внутренний объем судна, в который входят следующие составляющие:
Объем помещений под обмерной палубой (объем трюма под палубой);
Объем помещений между обмерной и верхней палубами;
Объем закрытых помещений, расположенных на верхней палубе и над ней (надстройки);
Объем пространства между комингсами люков.
Обмерной палубой на судах, имеющих не более двух палуб, считается самая верхняя палуба, а на судах с тремя или более палубами - вторая снизу.
В валовую вместимость не включаются следующие закрытые помещения, если они предназначены и пригодны исключительно для названных целей и применяются только для этого:
Помещения, в которых находятся энергетическая и электроэнергетическая установки, а также воздухоприем-ные системы;
Помещения вспомогательных механизмов, которые не обслуживают главные двигатели (например, помещения холодильных установок, распределительных подстанций, лифтов, рулевых машин, насосов, обрабатывающих машин на промысловых судах, цепных ящиков и т. д.);
Помещения для защиты людей у штурвала;
Помещения камбузов и пекарен;
Световые люки, световые шахты и шахты, которые подводят свет и воздух к лежащим под ними помещениям;
Сходы и тамбуры, которые защищают трапы, траповые коридоры или трапы, ведущие к расположенным ниже помещениям;
Санузлы для команды и пассажиров;
Цистерны водяного балласта.
Чтобы ограничить валовую вместимость двух- и многопалубных судов, все так называемые открытые помещения не включаются в валовую вместимость. Сюда могут относиться пространства между верхней и шельтердечной палубами («шельтердечное пространство») и прочие надстройки, если они делаются открытыми благодаря обмерным люкам в верхней палубе или обмерным отверстиям в переборках. Чтобы можно было исключить из обмера помещения ниже верхней непрерывной палубы, необходимо посредством обмерного люка создать так называемое обмерное пространство, из которого с помощью обмерных отверстий могут быть сделаны открытыми соседние отсеки. В качестве закрытий для обмерных люков можно использовать только свободно уложенные деревянные брусья, в качестве закрытия для обмерных отверстий в переборках допускается использовать U-образные металлические планки или листы, удерживаемые Г-образными болтами.
Судно, которое в верхней палубе имеет отверстия без прочных водонепроницаемых закрытий (обмерные люки и отверстия), называется шельтердечным судном или судном с навесной палубой; оно имеет из-за таких отверстий меньшую регистровую вместимость. Закрытые внутренние объемы в открытых помещениях, которые имеют прочные водонепроницаемые закрытия, включаются в обмер. Условием для исключения из обмера открытых помещений является то, что они не служат для размещения или обслуживания команды и пассажиров. Если верхняя палуба двух- или многопалубных судов и переборки надстроек снабжены прочными водонепроницаемыми закрытиями, то межпалубное пространство под верхней палубой и помещения надстроек включаются в валовую вместимость. Такие суда называются полнонаборными и имеют максимальную допустимую осадку.
Чистая вместимость (NRT) - это полезный объем для размещения пассажиров и грузов, т. е. коммерческий объем. Он образуется путем вычета из валовой вместимости следующих составляющих:
Помещений для экипажа и судоводителей;
Навигационных помещений;
Помещений для шкиперских запасов;
Цистерн водяного балласта;
Машинного отделения (помещения энергетической установки).
Вычеты из валовой вместимости производятся по определенным правилам, в абсолютных величинах или в процентах. Условием для вычета является то, что все эти помещения сначала включаются в валовую вместимость.
Чтобы можно было проверить, является ли мерительное свидетельство подлинным и принадлежит ли оно именно этому судну, в нем указываются размеры идентичности (опознавательные размеры) судна, которые легко проверить.
Длина расчетная (идентичная) - это длина по самой верхней непрерывной палубе от задней кромки форштевня до середины баллера, а у судов с навесным рулем
До задней кромки ахтерштевня.
Ширина расчетная (ширина идентичности) - ширина судна в самой широкой части. Осадка расчетная (осадка идентичности) - расстояние между нижней кромкой самой верхней непрерывной палубы и верхней кромкой настила второго дна или флорами на середине расчетной длины.
Экономические соображения привели к созданию шельтердечного судна, так как «открытые» помещения, как было сказано выше, не включаются в валовую вместимость. Но поскольку предписанные правилами закрытия обмерных отверстий шельтердека или других «открытых» помещений уменьшают надежность судов, такие объемы по Правилам о грузовой марке не должны учитываться при расчете надводного борта - запаса плавучести судна. До введения международной единой системы обмера судов в Правилах обмера, действующих в настоящее время по рекомендации Межправительственной морской консультативной организации (ИМКО) от 18 октября 1963 г., путем введения тоннажной марки должно сохраняться преимущество открытых помещений, несмотря на водонепроницаемые закрытия шельтердечных и других помещений. Принцип, который лежит в основе рекомендаций по введению тоннажной марки, заключается в том, что определенные помещения в твиндеке, которые считаются открытыми и поэтому не включаются в валовую вместимость, могут быть какое-то время закрытыми, причем такие помещения считаются обособленными, если тоннажная марка, расположенная ниже второй палубы на бортах судна, при загруженном судне лежит не ниже ватерлинии. Помещения, которые пригодны для выделения и находятся в свободно стоящих надстройках или рубках на верхней сплошной палубе или над ней, должны, несмотря на прочные водонепроницаемые закрытия, исключаться из валовой вместимости, независимо от того, погружена тоннажная марка или нет.
 |
| Грузовые марки: 1 - тоннажная марка, 2 - грузовая марка |
Тоннажная (обмерная) марка наносится на каждом борту судна в корму от марки надводного борта. Ни в коем случае тоннажная марка не должна наноситься выше грузовой марки - марки надводного борта. Дополнительная линия для пресной воды в тропических водах дается, как правило, за вычетом 1/48 осадки над верхней кромкой киля до обмерной марки. В случае, если тоннажная марка (верхняя кромка горизонтальной линии) не погружена, для коммерческих целей используются валовая и чистая вместимости помещений, расположенных внутри верхнего твиндека и пригодных для выделения.
Корпус судна
Корпус судна - это коробчатая балка с тонкими стенками и подкреплениями, которая на концах под более или менее острым углом переходит в фор- и ахтерштевень. Бортовая наружная обшивка и все сплошные продольные переборки образуют стенки этой коробчатой балки.
Днищевой настил (включая скуловой пояс), настил второго дна и все продольные связи, проходящие через двойное или одинарное дно, образуют нижний поясок коробчатой балки «судно», а сплошной палубный настил рядом с люками и непрерывные продольные связи главной палубы, а также ширстрек (самый верхний поясок листов бортовой обшивки) - верхний. Верхний и нижний пояски воспринимают нормальные растягивающие и сжимающие напряжения от продольного изгиба судна.
Внутренние подкрепления - это балки, расположенные параллельно и перпендикулярно диаметральной плоскости судна (продольный и поперечный наборы). Они служат для восприятия и передачи местных нагрузок (гидростатические и гидродинамические давления, давление груза) и для придания жесткости верхнему и нижнему пояскам, а также предохраняют наружную обшивку от деформаций.
По высоте корпус судно разделен палубами. Борта, днище и палубы судна в оконечностях сходятся и заканчиваются фор- и ахтерштевнями. Водонепроницаемые переборки делят корпус на водонепроницаемые отсеки и подкрепляют его как поперечный набор. На самой верхней непрерывной палубе - главной палубе - расположены надстройки и рубки. Длинные надстройки в средней части включены в верхний поясок корпуса судна.
Продольные, поперечные и скручивающие нагрузки на корпус воспринимаются благодаря соответствующему расположению и выполнению перекрытий судна. Перекрытия стальных судов состоят из листов и профилей.
Обычно у корпуса судна различают днищевое, бортовое и палубное перекрытия, штевни и переборки. Кроме того, существуют конструктивные связи надстроек, рубок и других частей корпуса судна, такие как фундаменты, туннель гребного вала, люки, шахты.
 |
| Конструктивные элементы и связи корпуса судна: а - ахтерпиковая переборка, b - коробчатая балка, с - надстройка, d - носовая оконечность, е - кормовая оконечность, f - район грузового люка, g - район между грузовыми люками, h - район машинного отделения, i - главная палуба в районе угла грузового люка 1 - палуба ахтерпиковой цистерны; 2 - дейдвудная труба; 3 - верхний пояс обшивки; 4 - стенка; 5 - нижний пояс обшивки; 6 - настил палубы; 7 - продольный комингс люка; 8 - поперечный комингс люка; 9 - ширстрек; 11 - скуловой пояс; 12 - настил второго дна; 13 - днищевая обшивка; 14 - цепной ящик; 15 - твиндек; 16 - таранная переборка; 17 - ют; 18 - аварийный выход; 19 - ахтерпик; 20 - гребной вал; 21 - дейдвудная труба; 22 - ахтерштевень; 23 - перо руля; 24 - баллер руля; 25 - бак; 26 - форпик; 27 - бортовой стрингер; 28 - твиндечный шпангоут; 29 - трюмный шпангоут; 30 - верх-ная (главная) палуба; 31 - туннель гребного вала; 32 - карлингсы; 33 - днищевые стрингеры; 34 - вертикальный киль; 35 - машинная шахта; 36 - верхний световой люк; 37 - навигационный мостик; 38 - шлюпочная палуба; 39 - палуба средней надстройки; 40 - верхняя (главная) палуба; 41 - фундамент главного двигателя; 42 - шпангоут надстройки; 43 - крайний междудонный лист; 44 - рамный бимс; 45 - рамный шпангоут; 46 - ромбоидальный лист-накладка; 47 - пиллерс; 48 - носовые брештуки; 49 - продольное ребро. |
window.google_render_ad();
5.1.1 Конструктивные элементы днища судна
У днищевых перекрытий различают два принципиально различных варианта, а именно одинарное и двойное дно.
Одинарное дно имеют, как правило, небольшие суда длиной менее 60 м, и прежде всего суда с сильным подъемом скулы и брусковым килем. Флоры со шпангоутами, в которые они переходят, образуют непрерывный поперечный набор. Продольные связи в районе днища, так называемые кильсоны, предохраняют флоры от продольного изгиба. Важнейшей продольной связью одинарного дна является средний кильсон, который наряду с подкреплением флоров и усилением киля (что важно при доковании) увеличивает продольную прочность судна.
Различают три варианта выполнения среднего кильсона:
Средний кильсон, стоящий на флорах, - у судов короче 30 м
Интеркостельный кильсон
Средний кильсон в виде среднего килевого листа
У небольших судов флоры в диаметральной плоскости обычно не разрезаны. У более длинных судов для лучшего восприятия продольных нагрузок предпочтителен непрерывный днищевой кильсон. В зависимости от ширины судна по каждому борту установлены один-два днищевых стрингера, назначение которых то же, что у среднего кильсона. Расстояние между днищевыми стрингерами и средним кильсоном и расстояние их от бортов судна составляет не более 2,25 м; в носовой оконечности из-за сильной нагрузки на днище при килевой качке их устанавливают на меньшем расстоянии друг от друга. Флоры состоят из подкрепленных вертикальными ребрами жесткости листов, проходящих по всей ширине судна и прерывающихся только на непрерывном среднем кильсоне. В оконечностях судна, в фор- и ахтерпике, флоры выполняются более высокими, в ахтерпике они доходят до уровня выше дейдвудной трубы. Одинарное дно между таранной и ахтерпиковой переборками (за исключением машинного отделения) закрывают деревянным настилом. В районе машинного отделения простое дно закрыто донными листами (еланями), обычно из рифленых листов.
При двойном дне над продольными и поперечными связями, расположенными на днищевых поясах наружной обшивки, имеется еще второе водонепроницаемое дно. Двойное дно по конструкции напоминает плоскую коробчатую балку. Поперечные связи у двойного дна состоят также из флоров. Двойное дно по сравнению с одинарным имеет следующие преимущества.
1. Повышается прочность судна при посадке на мель; при течи в районе двойного дна сохраняется плавучесть, так как вода может проникнуть только до настила второго дна. По этой причине требованиями Международной конвенции по охране человеческой жизни на море небольшим пассажирским судам предписано иметь второе дно в носовой оконечности от переборки машинного отделения до таранной переборки, а большим пассажирским судам (длиной более 76 м) - от ахтерпиковой до таранной переборки.
2. Водонепроницаемыми продольными и поперечными связями двойное дно разделяется на цистерны для размещения жидкого топлива, мазута и смазочного масла, мытьевой, питательной и балластной воды.
С другой стороны, двойное дно увеличивает собственный вес судна и повышает строительную стоимость. Поэтому на небольших судах от него отказываются или устанавливают его только в районе машинного отделения для цистерн топлива и смазочного масла. Вертикальный киль служит не только для увеличения продольной прочности судна и в качестве главной опоры при доковании, но и для увеличения жесткости днища между двумя переборками, а также для предотвращения деформации флоров. Киль проходит от кормы до носа через все судно. На середине длины судна его выполняют водонепроницаемым, чтобы разделить двойное дно по ширине и уменьшить свободную поверхность в цистернах двойного дна. В оконечностях, где из-за малой ширины судна цистерны проходят от борта до борта, вертикальный киль снабжен облегчающими вырезами (лазами). В зависимости от ширины судна по обе стороны от вертикального киля расположены один, два или более интеркостельных днищевых стрингеров, которые выполняют те же задачи, что и вертикальный киль.
Чтобы уменьшить массу судна и сделать двойное дно доступным, в днищевых стрингерах, если они не служат для водо- и нефтенепроницаемого разделения судна, предусмотрены вырезы. Настил второго дна вместе с крайними междудонными листами образует днищевое перекрытие. Крайний междудонный лист либо расположен наклонно к настилу второго дна и примерно под прямым углом к скуле, либо лежит в плоскости второго дна. Для доступа в двойное дно в конце каждого его отсека в настиле выполнен закрывающийся люк. Переход от флоров к бортовым шпангоутам у крайних междудонных листов осуществляется с помощью скуловых книц, а у горизонтальных крайних междудонных листов - с помощью книц.
Флоры расположены в двойном дне под прямым углом к диаметральной плоскости судна. Как правило, они проходят от вертикального киля до крайнего междудонного листа. При этом следует различать три вида флоров. Водонепроницаемые флоры образуют ограничение междудонных цистерн, и по функции их можно сравнить с водонепроницаемыми поперечными переборками. При большой высоте двойного дна (более 0,9 м) они подкрепляются вертикальными ребрами жесткости. Сплошные флоры похожи на водонепроницаемые. Так как они не должны быть ни водонепроницаемыми, ни мас-лонепроницаемыми, в них устраиваются вырезы, чтобы уменьшить их собственную массу и сделать доступными отдельные отсеки двойного дна. Сплошные флоры в зависимости от длины судна ставят в носовой оконечности на каждом третьем или четвертом шпангоуте; на судах для перевозки тяжеловесных грузов, под машинными отделениями, а также под поперечными переборками, тяжелыми и конечными пиллерсами средних диаметральных переборок - на каждом шпангоуте. Открытые бракетные флоры ставят на шпангоутах, на которых не нужны водонепроницаемые или сплошные флоры. Они состоят из катаных профилей, которые устанавливаются на днищевой обшивке (нижний угольник флора) и на настиле второго дна (верхний угольник флора). Для соединения флоров с вертикальным килем, днищевыми стрингерами и крайним междудонным листом служат бракеты.
 |
 |
 |
| Двойное дно: а - разделение двойного дна; b - двойное дно со сплошными и бракетными флорами; с - двойное дно с продольным набором (с продольными ребрами жесткости); d - двойное дно с днищевыми стрингерами. 1 - балластная вода (форпик); 2 - балластная вода (двойное дно); 3 - топливо; 4 - смазочное масло; 5 - коффердам; 6 - пресная вода; 7 - полка скуловой кницы; 8 - настил второго дна; 9 - водонепроницаемый флор; 10 - открытый бракетный флор; 11 - верхний угольник флора; 12 - нижний угольник флора; 13 - бракеты; 14 - сплошной флор; 15 - горизонтальный киль; 16 - вертикальный киль; 17 - бортовой стрингер; 18 - скуловой стрингер; 19 - скуловая кница; 20 - трюмные шпангоуты; 21 - скуловая кница; 22 - днищевые продольные балки; 23 - продольные балки второго дна; 24 - крайний междудонный лист; 25 - днищевые стрингеры. |
В настоящее время вместо проницаемых устанавливают обычно сплошные флоры с увеличенными вырезами. Изготовление и сборка сплошных флоров проще, чем бракетных, вместе с тем при соприкосновении с грунтом сплошные флоры снижают деформации днищевых конструкций; кроме того, сплошные флоры лишь немного тяжелее, чем бракетные. Скуловые бракеты, или кницы, соединяют трюмные шпангоуты с крайним междудонным листом или вторым дном, т. е. с днищевыми поперечными связями, и подкрепляют скулу. Для уменьшения массы и для прокладки трубопроводов скуловые кницы снабжают вырезами. Свободную кромку скуловых бракет загибают либо снабжают ее пояском или горизонтальной кницей. Горизонтальные кницы служат для подкрепления прерванного крайним междудонным листом поперечного набора и для создания эффективного перехода от скуловой кницы к настилу второго дна и тем самым к днищевым флорам или бракете.
Наряду с традиционным способом постройки второго дна с бракетными или сплошными флорами на каждом шпангоуте, в последние десятилетия все чаще используют способ постройки с продольными ребрами жесткости, а для больших судов (длиной более 140 м) - с днищевыми стрингерами. Преимущество продольной системы набора состоит в том, что она существенно повышает продольную прочность днища. Днищевые продольные ребра жесткости или стрингеры воспринимают вместе с обшивкой возникающие в днище изгибающие напряжения корпуса судна (растяжение и сжатие), а также местные нагрузки. Двойное дно с продольными ребрами жесткости или стрингерами при одинаковой прочности легче, чем двойное дно с флорами на каждом шпангоуте. Недостатком является то, что процесс изготовления судов таким способом более трудоемок (особенно при гибке ребер жесткости для оконечностей) и, следовательно, дороже.
При продольной системе набора сплошные флоры располагают на каждом третьем-четвертом шпангоуте, т. е. на расстоянии примерно 3,6 м один от другого; только в районе носовой оконечности судна и под фундаментами главных двигателей эти расстояния меньше. Отстояния днищевых стрингеров друг от друга или от вертикального киля и крайнего междудонного листа составляют примерно 4,5 м; в районе носовой оконечности и под машинным отделением они меньше. Между флорами у крайнего междудонного листа ставят бракеты, а у днищевых стрингеров - вертикальные ребра жесткости на расстоянии шпации; у вертикального киля в зависимости от расстояния между флорами по обе стороны дополнительно ставят одну или две бракеты с фланцами. Днищевые ребра жесткости, которые в зависимости от размеров судна устанавливаются на расстоянии 0,7-1 м, проходят сквозь сплошные флоры. При продольной системе набора со стрингерами в последних выполняются эллиптические или арочные вырезы.
5.1.2 Наружная обшивка и бортовой набор
Наружная обшивка - это оболочка корпуса судна; она должна воспринимать давление воды и одновременно, как часть продольного набора, вместе с другими продольными связями обеспечивать продольную прочность корпуса судна. Наружная обшивка состоит из отдельных листов, которые с помощью сварки соединены друг с другом, со шпангоутами, палубами и днищевыми связями. Длина листов наружной обшивки обычно значительно больше, чем ширина. Вертикальная линия соединения (сварной шов) листов называется стыком, а более или менее горизонтальная линия соединения - пазом. Пазы образуют по длине судна гармонично протекающие кривые. Пояса обшивки, проходящие между этими так называемыми лекальными кривыми, называют поясьями. Каждый пояс имеет свое название в соответствии с его положением на корпусе судна. Поясья листов, которые примыкают непосредственно к килю, называются килевыми, остальные поясья, а также поясья рядом с горизонтальным килем в плоской части днища - днищевыми. Пояс листов, который покрывает закругление скулы, называется скуловым поясом, поясья листов у флоры над скуловым поясом - бортовыми поясьями, самый верхний - ширстреком. Количество стыков и швов зависит от величины листов. В зависимости от размеров судна ширина листов составляет от 1,2 до 2,8 м, а длина - от 5 до 10 м. В оконечностях судна устанавливают листы меньших размеров, так как объемная гибка и установка листов больших размеров были бы слишком трудоемки. Толщина наружной обшивки зависит от длины судна, высоты борта до верхней непрерывной палубы, а также от осадки и расстояния между шпангоутами (шпации). Эта толщина составляет для судов длиной 20 м около 5 мм, а для судов длиной 250 м - примерно 25 мм. Но даже у одного и того же судна толщина наружной обшивки не везде одинакова. Так, при волнении самые большие изгибающие напряжения судно испытывает в средней части, поэтому там листы толще, чем в оконечностях. Как правило, более толстыми, чем другие поясья листов, выполняют также ширстрек и горизонтальный киль, потому что они являются важными продольными связями и дополнительно подвержены нагрузкам, действующим на поперечные связи. Большие сжимающие нагрузки испытывает горизонтальный киль при доковании, поэтому днищевые поясья толще, чем бортовые.
Наружная обшивка:
1 - ширстрек, 2 - фальшборт, 3 - листовой форштевень, 4 - шов, 5 - пояс листьев, 6 - стыки листьев, 7 - скуловой пояс, 8 - бортовой пояс, 9 - днищевые поясья, 10 - горизонтальный киль, 11 - район подкреплений, 12 - бортовая обшивка надстройки
window.google_render_ad();
Усилены также поясья листов наружной обшивки в районе перехода в надстройку, так как там возникает особенно высокая концентрация напряжений при изгибе судна на волнении. Из-за килевой качки кроме днищевого набора в носовой и кормовой оконечностях усиливают также наружную обшивку. Суда с ледовыми подкреплениями имеют утолщенную бортовую обшивку, особенно если они строятся в соответствии с Правилами на более высокий ледовый класс и для работы в арктических водах. Ледовые подкрепления имеет не только наружная обшивка, но и бортовые связи - шпангоуты и стрингеры, а также фор- и ахтерштевень, рулевое устройство и отдельные части энергетической установки, такие как гребной винт, валопровод и коленчатый вал двигателя.
Шпангоуты - ребра корпуса судна, которые расположены в вертикальных плоскостях и придают судну его форму. Они являются продолжением поперечных связей днища судна и образуют с днищевыми флорами, скуловыми кницами или бракетами, кницами бимсов и бимсами шпангоутную рамку, открытую в районе люков и закрытую за пределами люков и шахт. Шпангоуты вместе с другими поперечными связями должны обеспечить местную прочность корпуса, чтобы судно могло воспринимать действующие на него нагрузки от давления воды, льдов и груза. В соединении с поперечными переборками шпангоуты повышают также продольную прочность судна, предотвращая деформирование наружной обшивки. Шпангоуты распределены по всей длине судна (за исключением оконечностей) на равных расстояниях друг от друга. Это расстояние в зависимости от длины судна составляет от 0,5 до 0,9 м. Как правило, шпангоуты нумеруют от носового перпендикуляра в корму, начиная с «0»; шпангоуты за кормовым перпендикуляром получают отрицательные номера. Нагрузка на шпангоуты увеличивается по направлению вниз от поверхности воды в соответствии с увеличением гидростатического давления. Поэтому их поперечные сечения максимальны в районе между днищем и самой нижней палубой; от палубы к палубе они постепенно уменьшаются. Размеры трюмных шпангоутов зависят от величины судна, от осадки и от высоты скуловых бракет. Обычные концевые крепления трюмных шпангоутов к бимсам представлены на рисунке. У судов с одинарным дном или с горизонтальным настилом второго дна трюмные шпангоуты у наружной обшивки соединяют с флорами внакрой, чтобы соединение было достаточно жестким на изгиб; иногда их присоединяют с помощью книц. Размеры шпангоутов твиндека зависят также от величины судна, т. е. от высоты борта до главной палубы, от высоты твиндека, количества и положения твиндека, от осадки и шпации. Обычные концевые крепления промежуточных шпангоутов к палубам и бимсам показаны на рисунке. Размеры шпангоутов надстройки и их концевых креплений определяют так же, как для шпангоутов твиндека.
Шпангоуты и бортовой набор:
а
- расположение шпангоутов (вид сбоку); b
- связь борта судна с одинарным дном; с
- бортовой набор однопалубного судна в районе грузового люка; d
- бортовой набор трехпалубного судна; е
- бортовой набор в районе машинного отделения; f
- набор крейсерской кормы.
1 - твиндечные шпангоуты; 2 - кницы; 3 - трюмные шпангоуты; 4 - полка скуловой кницы; 5 - скуловая кница; 6 - бимс; 7 - транцевый лист; 8 - кормовые шпангоуты; 9 - ахтерштевень; 10 - продольный комингс; М - поперечный комингс; 12 - рамный бимс; 13 - рамный шпангоут; 14 - бортовой стрингер; 15 - промежуточная палуба; 16 - днищевые флоры; 17 - средний кильсон; 18 - соединение внакрой шпангоута с флором.
window.google_render_ad();
В тех районах корпуса судна, где возникают особенно большие напряжения или где корпус судна должен быть особенно жестким (например, в районе машинного отделения), в области больших люков устанавливают усиленные шпангоутные профили - так называемые рамные шпангоуты. Они состоят из стенок с приваренными полками. На концах больших грузовых люков рамные шпангоуты вместе с люковыми концевыми бимсами и люковым поперечным комингсом образуют замкнутую рамку большой жесткости и прочности.
В корме (при крейсерской корме) шпангоуты расположены в плоскостях, не вертикальных к диаметральной плокости, так как в противном случае стенки шпангоутов стояли бы слишком наклонно к наружной обшивке и значительно уменьшали бы ее прочность. Поэтому кормовые шпангоуты располагают в плоскостях, которые расположены под различными углами к диаметральной плоскости и почти вертикально к наружной обшивке. Вместе с соответствующим образом расположенными бимсами они образуют отдельные рамы, которые крепятся на так называемом транцевом листе. Транцевый лист - это лист, снабженный подкреплениями и расположенный под прямым углом к продольной оси судна. Он соединяется с ахтерштевнем и заменяет в этом месте флор.
Для подкрепления шпангоутов в носовой и кормовой оконечностях устанавливают бортовые стрингеры. Форпик и ахтерпик под самой нижней палубой дополнительно усиливают рамными стрингерами. Если форпик и ахтерпик задуманы как цистерны, то между рамными стрингерами на половине расстояния устанавливают дополнительные стрингеры. У судов с ледовыми подкреплениями ставят дополнительные шпангоуты; у судов с меньшими ледовыми подкреплениями они ограничены носовой оконечностью; у судов более высокого ледового класса по всей длине судна установлены дополнительные шпангоуты и стрингеры. В районе ледовых подкреплений наружная обшивка может выдерживать давление льда до 784,8 кПа.
Бортовой набор носовой оконечности:
1 - главная палуба, 2 - бортовой стрингер, 3 - форштевень, 4 - усиленный бортовой стрингер, 5 - флоры, 6 - бимсы, 7 - таранная переборка, 8 - двойное дно, 9 - трюмные шпангоуты, 10 - баковая переборка
Палубы и подпалубный набор
Палубы - это перекрытия в корпусе судна, проходящие почти горизонтально. Самая верхняя непрерывная палуба - главная палуба - закрывает корпус судна сверху и образует, одна или с палубой длинной надстройки, верхнюю оболочку корпуса. Палубы ниже главной имеют задачу увеличивать полезную площадь судна для размещения пассажиров и грузов. Палубы выше главной называют палубами надстроек.
Вертикальное расстояние между палубами, на которых размещаются экипаж и пассажиры, составляет от 2,2 до 2,8 м. Высота между грузовыми палубами - от 2,5 до 3,5 м, а высота грузовых помещений, лежащих под самой нижней палубой, 6 м и больше. Толщина настила главной палубы зависит от длины судна, от высоты борта до главной палубы, высоты твиндека, от осадки, системы набора (продольная или поперечная) и расстояния между бимсами, а также от ширины непрерывной палубы между грузовыми люками и наружной обшивкой. При этом толщина палубного настила варьируется в зависимости от величины местных нагрузок, действующих на корпус судна: в средней части судна они наибольшие, а к оконечностям становятся меньше. Кроме того, листы палубного настила между люками обычно значительно тоньше, чем листы между люками и наружной обшивкой. Толщина листов главной палубы колеблется от 5 до 30 мм в зависимости от длины судна. Углы люков обшивают усиленными или удвоенными листами, чтобы избежать разрыва палубного настила вследствие концентрации напряжений.
Настил нижних палуб имеет несколько меньшую толщину, которая зависит от нагрузки и от расстояния между бимсами и составляет у небольших судов примерно 5 мм, а у больших судов редко превышает 1 2 мм. Палубный настил, подобно наружной обшивке, изготовляется из отдельных поясьев листов, причем поясья, лежащие у ширстрека, называются палубными стрингерами, а поясья, проходящие вдоль люков, люковыми стрингерами.
До палубных стрингеров все поясья листов проходят параллельно диаметральной плоскости. Палубные стрингеры сужаются у оконечностей судна и заканчиваются листами, расположенными поперек судна. В средней части судна палубные стрингеры главной палубы иногда склепывают с помощью стрингерного угольника с наружной обшивкой судна (с ширстреком).
Проходящие поперек судна бимсы при продольной системе набора несут на себе палубный настил и груз, лежащий на палубе. Их подкрепляют продольными подпалуб-ными балками и пиллерсами в одном или нескольких местах по ширине судна. Продольные подпалубные балки проходят через рамные бимсы и опираются на них. Размеры бимсов зависят от нагрузки на палубу, длины пролета и расстояния между бимсами; кроме того, бимсы главной палубы в средней части судна должны иметь минимальную жесткость (момент инерции), которая зависит от толщины главной палубы, чтобы при сжимающих напряжениях предохранить палубный настил от деформаций. Со шпангоутами палубные бимсы соединены с помощью книц. Бимсы, прерванные входными люками или другими вырезами, подкреплены карлингсами (продольными балками), которые крепятся на усиленных палубных бимсах.
Продольные подпалубные балки состоят из сварных профилей. В местах прохода бимсов они снабжены вырезами в соответствии с профилем бимса. От деформаций и смещений тавровые профили предохраняются бракетами. К поперечным переборкам продольные подпалубные балки обычно присоединены с помощью книц. Размеры продольных балок зависят от нагрузки на палубу и от пролета и ширины перекрытия, на которое приходится нагрузка. Пиллерсы проходят от флоров или настила второго дна до самой верхней палубы; на отдельных палубах они стоят точно друг над другом, так как в противном случае бимсы получили бы дополнительную изгибающую нагрузку. Пиллерсы изготовляют из стальных труб (реже из угольников) или другого сортового проката. На концах они имеют пяточные плиты и верхние накладки, а по обеим сторонам стенки продольной балки - вертикальные бракеты, которые служат для надежной передачи давления палубы и бимсов на пиллерсы и предотвращают боковое смещение продольной балки. Поперечные сечения пиллерсов определяются нагрузкой и длиной.
window.google_render_ad();
Палубы: а - названия палуб; b - палуба при поперечной системе набора; с - палуба при продольной системе набора.
1 - палуба юта; 2 - главная палуба (палуба переборок и палуба надводного борта); 3 - вторая палуба; 4 - туннель гребного вала; 5 - навигационный мостин; 6 - командный мостик; 7 - шлюпочная палуба; 8 - палуба средней надстройки; 9 - днищевая обшивка; 10 - палуба бака; 11 - третья палуба; 12 - настил второго дна; 13 - швы; 14 - грузовые люки; 15 - стык; 16 - подкрепления люка; 17 - машинная шахта; 18 - палубный стрингер; 19 - бимсы; 20 - карлингс; 21 - ромбовидный лист; 22 - рамные бимсы; 23 - люковые стрингеры; 24 - настил палубы (рядом с бортом и люками палубные и люковые стрингеры); 25 - настил между люками; 26 - продольные подпалубные балки; 27 - рамный бимс; 28 - гофрированная переборка.
Переборки и танки
Под переборкой понимают водо- и пыленепроницаемую вертикальную стенку, установленную в корпусе судна. По положению относительно ДП судна различают продольные и поперечные переборки. Водонепроницаемые переборки разделяют судно на водонепроницаемые отсеки; у пассажирских судов они расположены так, что при затоплении одного или нескольких смежных отсеков плавучесть судна сохраняется. Поперечные переборки увеличивают поперечную прочность и, предотвращая продольный изгиб бортов и перекрытий, - продольную прочность судна. Водонепроницаемые и маслонепроницаемые продольные переборки устанавливают только на рудовозах и танкерах.
Количество водонепроницаемых переборок зависит от длины и типа судна. На каждом судне позади форштевня предусматривают аварийную таранную переборку. У винтовых судов в кормовой оконечности устанавливают ахтерпиковую переборку, которая обычно ограничивает ахтерпик. У пароходов и теплоходов в концах машинного и котельного отделений имеется по одной поперечной переборке. Остальной корпус в соответствии с длиной судна разделяется другими поперечными переборками, расстояние между которыми не превышает 30 м. Таранная переборка у судов со сплошной надстройкой или баком проходит от днища до палубы надстройки или бака, в то время как ахтерпиковая переборка обычно доходит только до водонепроницаемой палубы выше летней грузовой ватерлинии.
Водонепроницаемые поперечные переборки:
а
- расположение переборок у грузового судна (полнонаборное судно); b
- поперечная переборка; с
- гофрированная переборка; d
- таранная переборка.
1 - ют; 2 - ахтерпик; 3 - ахтерпиковая переборка; 4 - трюмы; 5 - средняя надстройка; 6 - палуба переборок; 7 - машинное отделение; 8 - нижняя палуба; 9 - бак; 10 - цепной ящик; 11 - форпик; 12 - таранная переборка; 13 - двойное дно; 14 - туннель гребного вала; 15 - кницы; 16 - поясья обшивки переборок.
window.google_render_ad(
влияет на ходкость, остойчивость, непотопляемость, грузоподъемность, грузовместимость, но выбирают из условия снижения сопротивления движению судна (из гидромеханических соображений).
R/D 
Рисунок 8 – Кривая зависимости сопротивления движению судна от коэффициента общей полноты d
При δ кр
· Резко возрастает скорость ® возрастает мощность главного двигателя, масса топлива
R ® N ® мощность главного двигателя, масса топлива
· Но уменьшается масса корпуса, упрощается технология, удобнее трюмы (ящичная форма)
Поэтому стараются принимать δ близким к δ кр.
От полноты судна и размеров зависит величина падения скорости судна на волнении. Чем крупнее судно, тем меньше сказывается его полнота на величине этого падения скорости. Поэтому у крупных судов можно принимать более высокие значения δ.
δ = a – b* Fr
где a и b – числовые коэффициенты, зависящие от типа судна.
Таблица 10 Расчетные формулы для определения δ
| Тип судна | Fr | Расчетные формулы | Примечания |
| Универсальные сухогрузы | 0,19-0,25 | δ = 1,07 – 1,68 Fr | |
| 0,25-0,29 | δ = 1,21 – 2,30 Fr | ||
| Танкеры, балкеры | - | на 0,03-0,05 больше, чем у сухогрузов | Большие размеры, умеренные скорости, большая доля балластных переходов – среднее значение δ за круговой рейс меньше, чем при проектном водоизмещении в полном грузу. Кроме того, δ позволяет ¯ главные размерения (Т в полном грузу), что желательно для крупных судов |
| Пассажирские суда, паромы | 0,25-0,33 | δ = 0,77 – 0,78 Fr | Желательно увеличение главных размерений (в первую очередь L и В) для размещения помещений (кают, общественных помещений и др.) ®¯ δ |
| 0,30-0,40 | δ = 0,40 Fr | ||
| 0,40-0,60 | δ = 0,50 |
Коэффициент полноты площади мидель-шпангоута уже зафиксирован, если выбраны δ и j . Однако при его выборе надо иметь в виду следующие обстоятельства.
У относительно тихоходных и среднескоростных судов (Fr<0,30) b принимают максимально возможным, чтобы заострить оконечности полных судов (снизить сопротивление). Верхний предел (b=1) ограничивается возможностью построения теоретического чертежа без заметных изломов ватерлинии на границах цилиндрической вставки.
Для определения b можно использовать следующие выражения:
При δ <0,650 b =0,813 + 0,267 δ ;
При 0,615 < δ <0,800 b =0,928 + 0,080 δ ;
При δ > 0,800 b =0,992.
Для менее полных относительно быстроходных судов, у которых нет оснований к особому заострению оконечностей, рекомендуются следующие значения b :
Таблица 11 Значения b для относительно быстроходных судов (Fr> 0,30)
| Fr | 0,34 | 0,38 | 0,41 | 0,46 | 0,50 |
| b | 0,925 | 0,875 | 0,825 | 0,800 | 0,790 |
|
Коэффициент полноты площади конструктивной ватерлинии (КВЛ) влияет в основном на остойчивость, непотопляемость и грузовместимость судов. В то же время он геометрически связан с формой шпангоутов, углами заострения КВЛ и коэффициентами δ и j . Поэтому первоначально его принимают в зависимости от этих коэффициентов, уточняя затем при разработке теоретического чертежа.
Для судов с U-образными и V-образными шпангоутами могут быть использованы следующие соотношения:
a = δ + 0,10 и a = δ = 0,12 соответственно.