Маневренные характеристики судна проекта 1577

    МИНИСТЕРСТВО  ТРАНСПОРТА РФ

    ДЕПАРТАМЕНТ РЕЧНОГО ФЛОТА РФ 

    НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

    ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 
 
 

    Кафедра судовождения 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

    на  тему: «Маневренные характеристики судна проекта 1577» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Выполнил: студент гр. СВ- 41

    Малюгин Н.Н

    Проверил: руководитель проекта

    Саленек В.В 
 
 
 
 
 
 
 

    НОВОСИБИРСК 2010 г

     ВВЕДЕНИЕ

    Под маневренными качествами судна понимают его способность изменять или сохранять заданную траекторию движения и характер самого движения. Маневренные качества включают такие эксплуатационные качества судна, как управляемость, инерционные характеристики, особенности движения на переднем и заднем ходу и другие, которые оказывают влияние на траекторию и характер движения судна.

    Под управляемостью обычно понимают два  навигационных качества судна: устойчивость на курсе и поворотливость.

    Устойчивость  на курсе называют способность судна  сохранять прямолинейность движения, а поворотливостью - способность его изменять траекторию своего движения. Таким образом, устойчивость судна на курсе и его поворотливость являются двумя противоположными качествами. В зависимости от типа и назначения судна при его проектировании придают ему те или иные характеристики управляемости.

    Для морских и океанских транспортных судов, совершающих длительные морские переходы на прямолинейном курсе, необходима в первую очередь хорошая устойчивость на курсе, так как маневрирование их в порту осуществляется, как правило, с помощью портовых буксиров. Для речных судов и составов, плавающих по судоходным путям с ограниченными радиусом кривизны и шириной, важнейшим качеством является их поворотливость. Но это не означает, что речные суда и составы могут обладать недостаточной устойчивостью на курсе. Роль последней возрастает с созданием крупных водохранилищ и эксплуатацией судов смешанного река море плавания.

    Под инерционными характеристиками судна  понимают время и длину пути преодоления  инерции движения или покоя.

    В процессе эксплуатации судна судоводителю приходится учитывать все качества, составляющие понятие маневренность. От их знания и умелого применения, в конечном счете, зависят успех  и безопасность выполнения того или иного маневра. Их знание приобретает особо важное значение для судоводителей судов и составов, работающих на внутренних судоходных путях, характеризующихся сложными, стесненными условиями плавания.

    Недостаточное знание элементов маневренности  судна нередко становится причиной аварий (столкновений, ударов и навалов, посадки на мель и др.). Вот почему от судоводителя требуется хорошее знание маневренных характеристик не только своего, но и других судов, эксплуатирующихся в данном бассейне.

    Теория  маневренности судов и составов включает два круга самостоятельных задач. Первый — связан с необходимостью определения возникающих при маневре гидродинамических сил и моментов, действующих на винты, рули и корпус судна. Второй — включает задачи качественного и количественного исследования элементов движения судна при том или ином маневре.

    Естественно, что судоводителя интересуют, прежде всего, вопросы, связанные с определением параметров движения судна при маневре, а вопросы гидродинамики при этом служат базой для определения указанных параметров.

    Учение  о маневренности, в частности  управляемости судна, было в основных чертах изложено русским академиком Л.Эйлером еще в 1776 году. Много  сделали для развития теории маневренности  судов советские ученые И.Г.Ханович, В.М.Лаврентьев, К.К.Федяевский, А.М.Басин, Г.А.Фирсов, В.И.Небеснов, Р.Я.Першиц, Г.В.Соболев, В.Г.Павленко, Л.М.Рыжов, П.Н.Шанчуров и  другие. Успешному изучению маневренности  судов внутреннего плавания способствовали широкие экспериментальные исследования (натурные и модельные), проведенные институтами водного транспорта.

    Роль  теории в подготовке инженера-судоводителя весьма значительна. Однако нужно помнить  о том, что лишь при отличном знании законов движения судов и составов нельзя еще хорошо управлять реальным судном. Только уменье применять законы теории при вождении судов в самых различных условиях плавания может сформировать высококвалифицированного специалиста-судоводителя. 
 
 
 
 
 

    1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

    Необходимые исходные данные приведены в таблице 1.1.

 Исходные  данные                                                                                   таблица 1.1

    2. РАСЧЕТ МАНЕВРЕННЫХ  ХАРАКТЕРИСТИК СУДНА 

    2.1. Расчет управляемости  судна 

    2.1.1. Определение коэффициентов  корпусных усилий

    Коэффициенты  влияния мелководья определяются по следующим выражениям.

    Ĉ 1 = 1 + (2,38 – 11 * T/L)) * (T/H) ³                                                                                                (2.1)

    Ĉ 1 = 1 + (2,38 – 11 * (3,5/128)) * 0 = 1

    Ĉ 2 = 1 + 3,40 * (T/H) ^2.25                                                                                                                             (2.2)

    Ĉ 2 = 1 + 3,40 * 0 = 1

    Ĉ 3 = 1 + (280 * (σ k – 0,88) ² – 1) * (T/H) ²                                                                               (2.3)

    Ĉ 3 = 1 + (280 * (0,9 – 0,88) ² – 1) * 0 = 1

    Ĉ 4 = 1+ (65 * σ k – 38) * (T/H) ³                                                                                                        (2.4)

    Ĉ 4 = 1+ (65 * 0,9 – 38) * 0 = 1

    Ĉ 5 = 1 + (0,55 + 58,10 * (1 – σ k) – 203 * (1 – σ k) ²) * (T/H) ²                               (2.5)

    Ĉ 5 = 1 + (0,55 + 58,10 * (1 – 0,9) – 203 * (1 – 0,9) ²) * 0 = 1

    Ĉ 6 = 1+ 0,0181 * (B/T–1,2) ²* (T/H) + 1,17 * (1+0,214 * (B/T–3,4) ²)*(T/H) ³ (2.6)

    Ĉ 6 = 1 + 0,0181 * (4.57 – 1,2) ² * 0 +1,17 * (1+0,214 * (4.57 – 3,4) ²) * 0 = 1

    где:

        L, В, Т - главные расчетные размерения судна (м);

        σ _к - коэффициент полноты кормовой части диаметральной плоскости,

        (приложение 3).

        H - глубина судового хода.

    Коэффициенты  корпусных усилий на глубокой воде определяются по выражениям (179-182) [2]

    C _{l ∞} = 3,14 * (T/L)                                                                                           (2.7)

    С _{1 ∞} = 3,14 * 0,027 = 0,086

    С _{2 ∞} = 0,02 * (В / Т)² - 0,24 * (В/Т) + 13 * (Т / L) + 0,024 * (L / Т)            (2.8)

    С ₂ ∞ =0,02 * (4,57)² - 0,24 * (4,57) + 13 * 0,03 + 0,024 * (128 / 3,58) =

    0,554

    С 3 ∞ = 0,02 + 0,37 * (1 -σ _к) – 12 * (1 – σ _к)²                                                (2.9)

    С _{3 ∞} = 0,02 + 0,37 * (1 -0,9) – 12 * (1 – 0,9)² = - 0,063

    С ₄ ∞ = 0,12 + 1,2 * (1- σ _к)                                                                           (2.10)

    С _{4 ∞} = 0,12 + 1,2 * (1- 0,9) = 0,24

    С ₅ ∞ = [5,8 * (Т / L) + 0,084] * (1,25 – σ _к)                                                 (2.11)

    С _{5 ∞} = [5,8 * 0,03 + 0,084] * (1,25 – 0,9) = 0,085

    С _{6 ∞} =1 / [15 * (В/Т) - 37,5]                                                                          (2.12)

    С _{6 ∞} =1 / [15 * 4,57 - 37,5] = 0,032

    Таким образом коэффициенты корпусных  усилий:

    C _n = C _{n ∞}                                                                                                       (2.13)

    C _l = 0,086

    C ₂ = 0,554

    C ₃ = - 0,063

    C ₄ = 0,24

    C ₅ = 0,085

    C ₆ = 0,032 

    2.1.2. Определение гидродинамических  характеристик боковых  сил на движительно-рулевом  комплексе

    К гидродинамическим характеристикам  боковой силы на движительно-рулевом комплексе относятся:

    μ 1 - угловой коэффициент силы;

    S _r - приведенная площадь ДРК;

    æ r - обобщенный коэффициент трансформации потока в месте расположения ДРК;

    Е - эффективность ДРК;

    Все эти величины определяются в зависимости  от типа ДРК, который состоит из Z _р открытых винтов = 2 винтов и Zr рулей (одиночных), расположенных в струе винта

    Приведенная площадь ДРК S _r определяется:

    Ŝ r = Z _r * F _п                                                                                                  (2.14)

    Ŝ r = 2 * 2,0096 = 4,0192

    где:

        Ŝ r - приведенная площадь ДРК (м²);

        Z _r - количество рулей (равно 2);

        F _п - приведенная площадь руля (м²);

    Коэффициент подьемной силы рассчитывается по формуле:

    μ 2 = k*[1+b*(0,28+0.20/λ)]*2π/(1+2,2/)                                              (2.15)

    μ 2 = 1,724

    S = Zr*Sп                                                                                                       (2.16)

    S = 16,3*2

    S = 32,7

    Sп = S'+S''(1+/                                                                                   (2.17)

    Sп = 1,92+2,8*(1+1,25

    Sп = 16.3

    æп = æк *[S'+S''(1+/)]/Sп                                                                      (2.18)

    æп = 0,95[1,92+2,8(1+1,25)]/16,3

    æп = 0,48

    Wa/Ve = 0.5*(1-0,0125)*(-1)                                                     (2.19)

    Wa/Ve = 0,5*(1-0,0125*16.1)*(-1)

    Wa/Ve =1,25 

    2.1.3. Расчет и построение  диаграммы управляемости

    E æ r = 0,095661*0,731407=0,11

    В свою очередь:

    m' = 2 * δ * В / L                                                                                           (2.20)

    m' = 2 * 0,9 * 16 / 128 = 0,21

    χ = L_дрк  / L                                                                                                     (2.21)

    χ = 64 / 128= 0,49

    χ чер  = 1 / χ                                                                                                (2.22)

    χ чер  = 1 / 0,471491= 2,03

    где:

        m' - безразмерная масса судна;

        Е - эффективность ДРК;

        χ - относительное отстояние ДРК  от центра тяжести судна;

        χ чер -  величина обратная χ;

        δ - коэффициент полноты водоизмещения;

        L дрк - отстояние ДРК от центра тяжести судна(м) ;

    Для расчета зависимостей, входящих в  диаграмму управляемости следует  определить ряд вспомогательных  величин, полученных в результате преобразования уравнений движения к виду, удобному для расчетов. Указанные величины определяются по выражению (305) (308) (2)

    а ₂ = С ₃ - m'+E æ r * χ                                                                                  (2.23)

    а ₂ = - 0,063 - 0,21+ 0,11* 0,49= -0,24

    b ₂ = C 1 + E æ r                                                                                             (2.24)

    b ₂ = 0,088 + 0,11= 0,19

    а ₃ = χ чер * С ₆ + χ * С ₇ * β² +E æ r * χ                                                     (2.25)

    а ₃ = 2,03* 0,032 + 0,49* 0,471491= 0,095

    b 3  = - χ чер * C 5  + E æ r                                                                           (2.26)

    b ₃ = - 2.03 * 0,086 + 0,11= -0,11

    где:

        C 1 - C 7 - коэффициенты корпусных усилий (C 7 = 0);

    Далее определяются величины:

    Р = (a ₃ * b ₂ - a ₂ * b ₃) / 2 * (С ₂ * а ₃ - C ₄ * b ₃ )                                          (2.27)

    Р = (0,09* 0,19 + 0,24* (-0,11))/2 * (0,54 * 0,095+ 0,24 * (-0,11)) = -0,084

    Q = С ₄ * Е / 2 * (С ₂ * а ₃ - C ₄ * b ₃)                                                             (2.28)

    Q = 0,24 * 0,11/2 * (0,54 * 0,095+ 0,24 * (-0,11)) = 0,17

    S = E * (а ₃ - а ₂) / (С ₂ * а ₃ - C ₄ * b ₃)                                                          (2.29)

    S = 0,11 * (0,095+ 0,24) / ( 0,54 * 0,095+0,24 *(-0,11)) = 0,306463

    Расчет  характеристик установившейся циркуляции может быть произведен по следующей  цепочке формул (311) [2]

    β = - P - Q * a _r + √((P + Q * а )² + S * α _r )                                                (2.30)

    Ω = [(С ₁ + χ * С ₅) * β + C ₂* β² ] / ( m' - C ₃ + χ * C ₆ - C ₄ * β )               (2.31)

    Θ = 1 / (1 + 2,7 * Ω²) ^2/3                                                                                 (2.37)

    где:

        α _r - угол перекладки рулевого выраженный в радианах;

        β - угол дрейфа;

        Ω - безразмерная угловая скорость;

    Результаты  расчета представлены в таблице 2.1.

    2.1.4.Расчет и построение траектории движения судна с отклоненным рулем.

    Значения  функций χ(ז) и Ψ(ז) определяются по рисунку 66 [2].Ω ц определяется по таблице 2.1 при заданном угле перекладки.

    Текущий угол скорости определяется по выражениям :

    φ s = φ s1 - φ s2 - φ s3                                                                                     (2.38)

    φ s1 = Ω ц * ז * (1+2,7 * Ω ц²) ^-2/3                                                                                                       (2.39)

    φ s2 = (10 * Ω ц * (1+2,7 * Ω ц²)^-2/3 – Ω ц * (8,5-5,72 * th ^1.15 * (1.14 * Ω ц))) * (1- e ^-0.8 ז)                                                                                                                (2.40)

    φ s3 = 0.0446 * (13 * Ω ц^1.59 - sin (6 * Ω ц )) * ז * e ^-0.18 ז ^-0.167 ז²

    где:

        Ω ц - для угла перекладки α _r = 35(град)

    Эмпирические  выражения для определения кинематических характеристик эволюционного движения имеют вид (367)[2](2-31)

    β = βц * χ (ז)                                                                                                    (2.41)

    Ψ = φ s + β                                                                                                 (2.42)

    θ = 1 - (1- θ ц) * Ψ (ז)                                                                                       (2.43)

    где:

        β , θ - соответственно угол дрейфа и падение скорости в данный момент времени эволюционного периода движения судна; 
 
 
 

β ц, θ ц - соответственно угол дрейфа и падение скорости на установившейся циркуляции при заданном угле перекладки руля;

    Ψ - угол курса;

    φ s - текущий угол скорости;

    ז - безразмерное время;

    Расчет  траектории движения судна при максимальном угле перекладки руля представлен в  таблице 2.2. 
 
 
 

    Расчет  параметров циркуляции судна.                                           таблица 2.2

    таблица 2.2(продолжение)