Обеспечение навигационной безопасности при плавании судов по каналам и фарватерам

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. Навигационные условия плавания в каналах и фарватерах

.1 Анализ аварийности на БДЛК

1.2 Управление движением судов в канале

1.3 Оценка навигационной обстановки

.4 Особенности навигации по БДЛК в ночное время

. Система управления движением судна

.1 Система управления маневрированием

2.2 Способы управления движением судна

2.3 Средства управления движением

3. Навигационный план проводки судна по БДЛК

3.1 Особенности выполнения поворота в канале

3.2 Одерживание поворотов

3.3 Особенности использования створов при плавании по каналам морского судна

3.4 Навигационный план лоцманской проводки судна по БДЛК

4. Экономическое обоснование

4.1 Технико-экономическое обоснование учёта маневренных характеристик судна при плавании судна по каналам и фарватерам

.2 Определение экономического эффекта от повышения точности обсервации судна

.3 Технико-экономическое обоснование учета факторов, которые влияют на аварийность в судоходстве

. Охрана труда

5.1 Рекомендации по оставлению судна и обеспечение выживания людей

5.2 Основные положения теории риска в судоходстве

.3 Системы аэрозольного пожаротушения

.4 Международная Конвенция по предотвращению загрязнения с судов (МАРПОЛ-73/78) - International Convention for the Prevention of Pollution from Ships (MARPOL-73/78)

. Охранные мероприятия и гражданская оборона на судне

6.1 Кодекс ОСПС: оценка охраны и уязвимости судна для террористических действий

.2 Признанные организации (RO): функции, полномочия, роль в охране

.3 Специальные мероприятия на борту судна, способствующие минимализации рисков захвата судна пиратами

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Плавание по речным участкам и маневрирование при швартовных операциях сочетает в себе ограничения свойственные движению в узкостях и на мелководье. Ограниченная ширина и глубина движения изменяет характер влияния гидромеханических сил на корпус судна и усложняет управление.

При объяснении характера влияния внешних условий на судно используют два уравнения - уравнение неразрывности и уравнение Бернулли. Уравнение неразрывности жидкости характеризует увеличение скорости потока при уменьшении просвета между корпусом судна и днищем, а уравнение Бернулли объясняет уменьшение давления сил поддержания, в результате чего происходит проседание судна и изменяется характер волнообразования, что приводит к увеличению сопротивление движению. В связи с перераспределением давления вдоль корпуса изменяются маневренные свойства судна, и ухудшается его управляемость.

Однако после того как канал построен и объявлены его параметры судоводителю необходимо определить какие предельные размеры судна могут быть допущены к прохождению через него.

Другим вопросом является задача выполнения организационно - распорядительных мероприятий для того, чтобы полностью использовать проектные возможности канала. Кроме того необходимо уточнить, насколько принятые проектные решения соответствуют практике мореплавания и возможностям современной теории и практики управления судном. Чрезмерный запас по параметрам канала и перестраховка при разрешении проводки приводит к экономическим потерям и потерянной выгоде.

Поэтому необходимо выполнять пробные проводки судов, геометрические размеры которых и параметры маневрирования (ширина полосы, параметры поворота, осадка) находятся в предельных соотношениях. По результатам таких проводок можно экспериментально установить соответствие проектных решений практики судовождения и обосновано составлять правила плавания по БДЛК и ХМК, а также обязательные постановления по порту.

Необходимость увеличения грузооборота по БДЛК и повышение геометрических размеров судов, которые необходимо проводить по каналу, требуют анализа возможностей канала, с учетом заложенных при проектировании параметров, таких как ширина, глубина и геометрические размеры поворотов.

Установленные правилами параметры судов, которые могут проходить по каналу, и введенные ограничения по времени суток не всегда достаточно обоснованы. В результате государство теряет возможные доходы в бюджет, которые могут быть заработаны, а в некоторых случаях и престиж.

Нормативные документы, на основании которых был спроектирован и построен канал, устарели и требуют пересмотра некоторых положений, которые проверены практикой эксплуатации, возможно даже реконструкции или модернизации некоторых участков для того, чтобы увеличить пропускную способность и обеспечить безопасное прохождение судов большего водоизмещения.

Кроме того морские суда, суда смешанного плавания и речные имеют различное устройство рулевой рубки и ходового мостика. Это определяет необходимость организации управления судном на мостике различным образом. Так речные суда и суда смешанного плавания обычно имеют круговой обзор на мостике, что позволяет эффективно использовать обратные створные знаки. В то же время морские суда такой возможности не имеют и для обеспечения маневрирования они используют либо только плавучие знаки ограждения, либо необходимо организовать дополнительную вахту для оперативного наблюдения за створными знаками и удержания на серединной линии канала. В противном случае происходит потеря ориентировки на канале и посадка на мель либо касание бровки.

При выполнении настоящей работы использовался системный подход к анализу причин аварийности и разработке мер по ее предупреждению.

. Навигационные условия плавания в каналах и фарватерах

.1 Анализ аварийности на БДЛК

В процессах судовождения одновременно присутствуют операторская деятельность и автоматическое управление, а при плавании в стесненных условиях и во время морских операций, преобладающей остается работа оператора. При этом автоматизированы только отдельные функции по обработке информации. Вместо непосредственного управления судном, человек-оператор отделен от объектов управления, а взаимодействует с их информационными моделями. Это привело к ужесточению требований к его психофизиологическим функциям. Характеристики деятельности оператора, которые определяют процесс приема, переработки и передачи информации при интеллектуальной деятельности включают анализаторы, память, скорость реакций, антропометрию и надежность выполнения человеком управленческих функций.

Каждая из указанных характеристик оказывает влияние на работу оператора и, естественно, на безопасность управления судном

Безопасность плавания определяется надежностью работы судоводителя - оператора как элемента процесса управления, принимающего окончательное решение по выбору стратегии, тактики и технологии маневрирования. Проявляется это в интегральном показателе - уровне аварийности, исследование которого позволяет определить характер и причины возникновения происшествий для разработки мер по его снижению.

Для более подробного расследования происшествий рассмотрим материалы, имеющиеся в инспекциях портового надзора Украины и судебных экспертиз, выполненных в работе. Это позволит установить причину аварийных происшествий связанную с операторской деятельностью и наметить меры по их предупреждению.

Для более детального анализа причин происшествий, связанных с операторской деятельностью, включая случаи наличия лоцмана на борту, рассмотрим аварийность в Северо-западной части Черного моря и наиболее опасной его части - Бугско-Днепровско-Лиманском канале (БДЛК). По условиям плавания они относятся к самым сложным в навигационном отношении районам судоходства Украины.

Теоретически обоснованные размеры судов и других объектов, разрешенных к проводке по каналам, указанные в «Правилах плавания и лоцманской проводки судов в северо-западной части Черного моря, в Бугско-Днепровско-Лиманском и Херсонском морском каналах», следующие: по БДЛК - длиной до 215 м., с осадкой до 10,3 м.

Судоходство в северо-западной части Черного моря осуществляется в течение всего года и круглосуточно. Количество проходов судов по БДЛК за 1978-2008 г.г. в среднем - 13446 в год, что свидетельствует о значительной интенсивности судоходства.

Сводные данные аварийных случаев в северо-западной части Чёрного моря, за 1978-2008г.г. приведены по БДЛК в табл. 1.1.

При рассмотрении приняты определения: светлое время суток - от восхода до захода солнца по поясному без учета времени сумерек; тёмное время суток - принято от захода до восхода солнца по поясному без учета сумерек. Видимость ограниченная - менее 2-х миль, видимость хорошая - более 2-х миль.

На БДЛК произошло: аварий - 76; аварийных происшествий - 31; эксплуатационных повреждений - 12.

Всего в северо-западной части Черного моря произошло 204 происшествия: аварий - 76; аварийных происшествий - 94; повреждений - 34.

По видам аварийные случаи распределяются следующим образом.

На БДЛК: посадка на грунт - 33; столкновения - 12; навалы - 15; ледовые случаи - 12; по техническим причинам - 4.

Всего в северо-западной части Черного моря: посадка на грунт - 81; столкновения - 26; навалы - 30; ледовые случаи - 20; по техническим причинам - 16.

По причинам аварийные случаи распределяются следующим образом.

На БДЛК: потеря ориентации оператором- 26; ошибка в управлении судном - 9; нарушение МППСС и местных правил - 12; конструктивные недостатки и скрытые дефекты - 2; нарушение ПТЭ механизмов судна - 1; форс-мажорные обстоятельства - 11.

Таблица 1.1

Статистика аварийности по БДЛК

На ХМК: потеря ориентации - 29; ошибка в маневрировании и ошибка в управлении судном - 31; нарушение МППСС и местных правил - 18; конструктивные недостатки и скрытые дефекты - 7; нарушение ПТЭ механизмов судна - 7; форс-мажорные обстоятельства - 20.

По региону: потеря ориентации - 55; ошибки в управлении при маневрировании судном - 40; нарушение МППСС и местных правил - 30; конструктивные недостатки и скрытые дефекты судна - 9; нарушение ПТЭ механизмов судна - 8; форс-мажор - 31.

Как следует из анализа аварийности судов за 1978 - 2008 гг. первое десятилетие макропоказатели аварийности были более высокими, чем в последующие годы. Во втором десятилетии они снизились на 44%. Последние 5 лет исследуемого периода имеют незначительную тенденцию к снижению, по сравнению со вторым десятилетием. Навигационные аварии составляют 79%, что в два раза превышает среднестатистические показатели в мире.

По известному состоянию видимости во время происшествия, полученному из записей в судовых журналах, составлена таблица 1.2. К анализу принято 106 навигационных происшествий из общего числа 173. Наибольшее количество посадок судов на грунт произошло при ограниченной видимости. Столкновения судов и навалы не зависят от видимости.

Таблица 1.2

Зависимость количества аварийных случаев от условий видимости

Влияние времени года на число происшествий приведено в таблице 1.3.

Таблица 1.3

Сезонные колебания аварийности по региону

Из анализа следует, что наибольшее количество происшествий произошло осенью. Из 153 случаев в осеннее время года произошло 47, что составляет более 30%, зимой - 27%, весной - 24%, летом - 18%.

Интересным представляется влияние времени суток, которое определяется квалификацией оператора. Результаты такого анализа приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Распределения аварийности по вахтам

Поскольку в журналах учета капитанами портов не всегда указывалось время происшествия, для детального анализа было принято только 92 аварийных случая. Распределение по вахтам в 1978-2008 гг. выглядит следующим образом: старших помощников капитана - 34,8%; вторых помощников капитана - 21,7%; третьих помощников капитана - 43,5%. Происшествия на вахтах третьих помощников говорит о недостаточном контроле над их работой со стороны капитанов судов.

Без учета аварийных случаев по техническим причинам, к анализу принято всего158 морских происшествий, из них с лоцманом на борту произошло 43, без лоцмана - 115. Эти данные свидетельствуют о том, что лоцманская проводка является эффективным средством повышения навигационной безопасности.

Анализируя происшествия, необходимо отметить, что посадка на грунт, столкновения и навалы происходили из-за потери ориентации, ошибочного маневрирования в стесненных акваториях - портах и каналах, как правило, в сложных навигационных условиях плавания.

Основной обобщенной причиной таких аварий является отсутствие типовых алгоритмов деятельности судоводителя при плавании в стесненных условиях, а также пренебрежение подготовкой к лоцманской проводке, как элементу навигационного планирования перехода судна с целью улучшения ориентировки при управлении, а также недостаточное использование услуг лоцмана.

С точки зрения деятельности оператора ошибки возникают в процессе приема зрительной информации, из-за необходимости ее обработки. Этот этап сбоев в управлении характеризуется потерей ориентировки, на долю которых

приходится 31,8% из 173-х принятых к анализу случаев. Для их устранения необходимо обрабатывать информацию и представлять ее оператору в виде процедурных рекомендаций, которые однозначно им воспринимаются.

Если оператору необходимо производить обработку поступающей декларативной информации по контролю над параметрами процесса управления для корректировки плановой траектории из-за того, что произошло изменение внешних воздействий и переменных ограничений, это приводит к ошибкам в управлении процессом маневрирования, на долю которого приходится 23,1%. Для повышения безопасности необходимо разрабатывать кибернетическую систему поддержки принятия решения.

Задержки в интеллектуальной деятельности оператора влияют на скорость и надежность принятия решения и контроля над его реализацией. Этот этап приводит к ошибкам в соблюдении правил плавания, на долю которых приходится 17.5% из всех случаев происшествий.

Антропометрические характеристики оператора определяют условия функционирования его физиологических систем, и выявить их по результатам анализа не удается из-за отсутствия соответствующих сведений. Однако, как известно, они непосредственно влияют на процесс управления и требуют отдельного исследования.

Безопасность маневрирования в рассматриваемых случаях не обеспечивалась из-за отсутствия сведений о маневренных характеристиках судна, как объекта управления и данных о его текущем состоянии, которые должны обеспечить средства судовождения для контроля над процессом движения.

Посадки на грунт произошли в 46.8% из 173-х случаев, принятых к анализу. Из-за недостаточного информационного обеспечения процесса судовождения, как на самом судне, так и извне, отсутствие методов и способов контроля со стороны береговых СНО не позволило предупредить посадки на грунт (47%) и навалы на береговую черту и знаки ограждения(17%).

Недостаточным оказалось и информационное обеспечение текущих параметров движения и положения судна, отсутствие методики предварительного планирования управления, систем поддержки принятия решения и алгоритмов действий оператора при управлении маневрированием, что не позволило предупредить столкновения в 15,0%, посадку на мель в 47% и навалы в 17%.

Выполненный анализ показал различие в требованиях к оператору при маневрировании в море и в стесненных условиях. В первом случае преобладает использование технических устройств, а обзорно - сравнительный метод используется только на заключительной стадии. В стесненных условиях преобладает использование глазомерных способов оценки маневрирования, что существенно увеличивает нагрузку на психофизиологические параметры оператора.

При решении задачи расхождения повышаются требования к быстродействию работы оператора и увеличивается нагрузка на память и мышление, что требует устного решения задачи, без использования технических средств.

Концепция безопасного управления, предполагает согласование факторов маневрирования и характеристик оператора и создание алгоритмов интеллектуальной деятельности, путем:

-  структурирования тактических и оперативных задач и разработки алгоритмов интеллектуальных действий оператора при управлении движением;

-       разработки алгоритмов текущего контроля расхождения и способов корректировки первоначального плана;

-       разработки алгоритмов текущего контроля параметров движения и положения, включая криволинейное движение, и визуализацию текущей ситуации расхождения;

-       организация дополнительной вахты для контроля серединной линии по обратным створам на мостике морских судов;

специальный контроль времени и номера латеральных знаков, которые установлены на бровке канала, что позволить предупредить потерю ориентации и четко контролировать прохождение судна по линии намеченного пути.

.2 Управление движением судов в канале

При движении судна в канале происходит перераспределение зон давления и в результате в районе носа образуется зона повышенного давления, а в районе кормы - зона пониженного давления. Это приводит к тому, что при приближении носа судна к бровке канала происходит его отталкивание, а кормы - притягивание.

При рассмотрении движения судна определяющими будут следующие параметры канала: ширина канала; глубина канала; радиус округления на поворотах; ширина канала на поворотах.

При рассмотрении движения судна определяющими будут следующие параметры судна: длина между перпендикулярами ; ширина судна ; точность оценки места судна радиальная СКП -; ширина маневренного смещения ; максимальная осадка .

Существующими нормативными документами по БДЛК введено ограничение судов, которые могут проходить по каналу по длине - 215 метров, и по осадке 10,3 м.

При рассмотрении безопасности плавания будем использовать четыре основных геометрических характеристики корпуса судна: максимальная длина ; длина между перпендикулярами L_⊥⊥; ширина судна ; максимальная осадка . При этом значение L_⊥⊥ будем использовать при рассмотрении ширины полосы занимаемой судном при движении и оценке ее соотношения с шириной канала и безопасного прохода, а значение при маневрировании в стесненных условиях и швартовке у причала.

При самостоятельном движении судна по каналу ограничениями при движении являются три фактора: глубина на канале; ширина маневренного смещения при движении; радиус закругления поворотов.

Глубина на канале ограничивает осадку судна, которая определяется величиной навигационного запаса под килем. Это вызывает необходимость устанавливать предельную осадку при загрузке.

Ширина маневренного смещения и точность оценки места судна влияют на допустимую длину судна, которое может пройти через данный участок.

Для уточнения используемых понятий и обоснования разрабатываемых рекомендаций приведем определение основных параметров, характеризующих движение судна при рыскании относительно линии заданного курса.

Представим судно в виде прямоугольника с шириной  и длиной между перпендикулярами  с характерными точками: центр тяжести G, который при рассмотрении вопросов управления принимают находящимся на мидель шпангоуте; центр управления ЦУ - точка на судне в которой находится лицо производящее глазомерное определение положения судна и управляющее маневрированием; крайние точки ватерлинии по носу Н_л и Н_п; крайние точки ватерлинии по корме К_л и К_п.

Под шириной полосы, занимаемой судном при маневрировании, будем подразумевать (см. рис. 1.1.) величину проекции крайних точек характерного линейного размера  на линию, перпендикулярную вектору перемещения судна:

 (1)

где С - суммарный угол сноса.

Ширину маневренного смещения У_м определяют по формуле:

У_м = 2 У_о + В_п (2)

где У_о - боковое отклонение ЦТ от линии намеченного пути за счет рыскания. Его можно определить из выражения:

У_о = V t₃ sin j (t), (3)

где t₃ - время запаздывания в обработке информации в системе управления;

j (t) - угол рыскания

Рисунок 1.1 - Вероятная ширина полосы при движении судна

Вероятную ширину полосы маневренного смещения определяют путем линейного сложения У_м и среднеквадратической погрешности определения места судна М_о:

У_мв = У_м + 2М_о  (4)

Необходимым и достаточным условием безопасного прохождения одиночного судна через опасный район стесненных вод является выполнение требования, чтобы допустимая ширина безопасной полосы движения У_мд, снимаемая с карты, была больше вероятной ширины полосы У_мв т.е. У_мд > У_мв. Из этого неравенства можно определить требования к точности определения места для обеспечения безопасного прохода опасного района стесненных вод, с учетом максимального значения угла сноса С = 90° - arctg (В/L), когда ширина полосы, занимаемой судном, максимальна и равна L_x:

M_o < 0,5 У_мв - У_о - 0,5 L_x. (5)

Проектная глубина акватории причалов порта отсчитывается от расчетного (низкого) судоходного уровня воды. В соответствии с существующей классификацией портов по категориям отметка (высота) расчетного судоходного уровня воды должна иметь обеспеченность, равную для портов 1-й и 2-й категории- 99%-3-й категории - 97%; 4-й -95-97%. Акватория причала Нибуллон может быть отнесена к 3 - й категории и необходимо иметь обеспеченность 97%.

Для портов, расположенных на естественных водных путях, отметка расчетного уровня не должна быть выше отметки проектного уровня воды, а для портов на водохранилищах - не ниже отметки уровня его навигационной сработки.

Запас воды под килем состоит из следующих составляющих:

-  проседание судна от движения Н_пр;

-       запас воды на ошибку промера ;

-       запас воды на заиливание ;

-       запас на ошибку от определения осадки ;

-       запас на крен ;

-       запас воды на волнение моря .

Для каналов проседание рассчитывается по формуле Барраса:

(6)

где - - скорость движения судна в м/с;

- коэффициент полноты подводной части корпуса судна.

Запас воды на ошибку промера при объявленной глубине 11,2 м составляет 0,15 м.

Запас воды на заиливание составляет 0,1 м.

Запас на ошибку от определения осадки  можно принять равным 0,05 м.

Запас на крен  при маневрировании со скоростью около 5 узлов практически в расчет принимать не следует.

Запас воды на волнение моря  обычно принимают равным до 10% от осадки, однако учитывая, что акватория защищена от действия волнения, этот запас можно принять равным 0,1 м.

Учитывая объявленную глубину на канале равной 11,2 м и суммарный запас воды под килем, с учетом всех поправок, равный 0,8 м, загрузку в портах, использующих БДЛК, можно производить до максимальной осадки 10,4 м.

Судоходная обстановка колена должна обеспечивать безопасное и бесперебойное судоходство по каналу днем, ночью и при ограниченной видимости.

Такие условия создаются путем рационального размещения береговых и плавучих знаков навигационного ограждения, а также соблюдение правил их технической эксплуатации и своевременного оповещения судоводителей об изменении условий плавания.

По плотности движения судов первое колено Николаевского порта можно отнести водному пути с интенсивным судоходством. Это определяет требования к составу и количеству береговых и плавучих знаков навигационного ограждения судового хода.

На БДЛК по условиям плавания необходима установка двух групп знаков - ходовые о оградительные. К ходовым знакам относятся створные знаки, которые обозначают направление судового хода. Оградительные знаки обозначают границы судового хода или отдельные препятствия.

Поскольку при обеспечении плавания основным способом оценки места относительно знаков навигационного ограждения является глазомерный обзорно - сравнительный, то дальность видимости знаков и точность маневрирования будет зависеть от остроты зрения судоводителя.

Для характеристики способности глаза видеть предметы применяют параметр - острота зрения. Под остротой зрения понимают минимальное угловое расстояние между двумя точками, когда глаз видит их раздельно. Условно принято за величину нормальной остроты зрения считать одну угловую мин.

Чувствительность глаза человека характеризуют порогом контрастной чувствительности. Судоводитель может увидеть предмет тогда, когда его яркость будет больше порога контрастной чувствительности.

В связи с этим дальность видимости знаков обстановки подразделяют на геометрическую (географическую) и оптическую.

Геометрическая дальность видимости  определяется сферичностью земной поверхности и может быть определена по известному выражению

, (7)

где - высота знака над уровнем воды, м;

 - высота глаза наблюдателя над уровнем воды, м.

Оптическая видимость представляет собой дальность видимости предметов  с учетом прозрачности атмосферы.

Для обеспечения безопасности плавания на БДЛК преобладают линейные створные знаки, которые указывают только ось судового хода. Подробная характеристика створов приведена в паспорте БДЛК. Из всех основных характеристик наибольший практический интерес для судоводителя представляют:

дальность действия створа  - представляет собой расстояние от переднего знака до конечной точки створной линии, км;

боковое уклонение - представляет собой расстояние по нормали к оси створа, на которое допустимо уклонения судна в момент обнаружения выхода с линии створа, м;

разнос знаков  - представляет собой расстояние между створными знаками по оси створной линии, км.

Расчет дальности действия створа можно определить по известной формуле

 (8)

Если угол между двумя створными знаками равен нулю, то его стороны для судоводителя на плоскости сливаются в прямую линию (створ), используемую для плавания на прямолинейных участках фарватера.

Расчет бокового уклонения можно определить по формуле

 (9)

Для всех створов обычно выставляется требование, чтобы величина  допустимого уклонения была бы меньше половины ширины фарватера, т.е. . Однако для анализа створов БДЛК необходимо, чтобы величина бокового уклонения на наиболее удаленной точке колена, которую обслуживает данный створ, была бы меньше чем допустимая. Значение .

Плавучие знаки судоходной обстановки на БДЛК представлены в виде буев, выставленных на кромке фарватера.

В составе судоходной обстановки основными являются береговые знаки, как более надежные в действии и удобные в эксплуатации. Плавучие знаки дополняют береговую обстановку на тех участках, где кроме направления судового хода, необходимо контролировать маневрирование судов.

Другой особенностью канала является тот факт, что по нему плавают речные и морские суда и суда смешанного плавания. Обычно речные и смешанного плавания суда имеет ходовой мостик и рулевую рубку, приспособленные для кругового обзора. Поэтому они подготовлены для контроля места судна по прямым и обратным створам.

На морских судах рулевая рубка обычно устроена так, что для обзора обстановки с кормовых румбов необходимо выходить на крыло или подниматься на верхний мостик. По этой причине для контроля положения судна на серединной линии приходится выставлять специального наблюдателя, либо довольствоваться информацией только плавучих знаков. Именно по этой причине происходят аварийные происшествия, связанные с потерей ориентировки и посадкой на мель и касания бровки.

.3 Оценка навигационной обстановки

Схема БДЛК приведена на рис.1.2., а навигационная обстановка в БДЛК на рис.1.3. Элементы современной трасы канала, которые предстоит пройти судну приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Элементы трасы перехода к причалу ООО «Нибуллон»

Для анализа навигационной обстановки произведем сравнительный анализ характеристик створов, установленных на БДЛК, который позволит установить точность оценки места и удержания судна на серединной линии.

Основным параметром, который представляет интерес для управления маневрированием, является чувствительность створов. Поскольку она непосредственно влияет на точность визуальной оценки места и вероятной ширины маневренного смещения, то оценку будем производить по предельному расстоянию от створов. Если точность достаточна и вероятная ширина полосы меньше предельной то будем считать, что створы можно использовать на протяжении всего колена. В противном случае необходимо использовать только плавучие знаки ограждения.

Рисунок 1.2 - Схема Бугского, Днепровского, Лиманского и Херсонского каналов

Сводная таблица данных створов БДЛК, согласно существующего паспорта, приведена в таблице 1.6.

Для оценки возможности прохождения судна по данному колену необходимо определить максимальное боковое отклонение на начало использования данного створа , которое примем за радиальную среднеквадратическую погрешность оценки места судна . Для наглядного представления изобразим судно в виде окружности, диаметр которой равен длине судна между перпендикулярами L_^^, как приведено на рис.1.4.

Рисунок 1.4. - Рыскание судна на канале в тихую погоду

Условием безопасного прохождения судном канала по ширине маневренного смещения является выполнение условия

 (10)

Значение максимального угла рыскания, которое может быть допущено при самостоятельном следовании судна  можно определить из выражения

. (11)

Разрешив уравнение (24) относительно получим

. (12)

При точности оценки места судна на канале  и смещении, значение . Это означает, что при прохождении канала шириной 100 м и судне шириной В = 47,2 м. и длиной  = 300 м необходимо следовать со скоростью более 5 узлов при самостоятельном движении и скорости ветра до 10 м/с. Если рыскание при прохождении канала будет больше  то проход такого судна по каналу невозможен и необходимо принимать меры для уменьшения угла рыскания путем увеличения скорости или использования буксиров.

При движении по каналу в штормовых условиях (см. рис. 1.5) ширина вероятной полосы маневренного смещения будет увеличиваться за счет введения поправки в курс на величину угла сноса С. Для удержания судна на серединной линии возможное отклонение влево будет ограничено значением φ_мах- с, а вправо φ_мах + с.

Рисунок 1.5. - Рыскание судна на канале в шторм

При оценке возможности захода судна с максимальными размерами в порт по каналу заданной ширины необходимо ограничивать либо погодные условия, либо предусматривать меры для уменьшения рыскания. Такими мерами могут быть: использование буксиров; повышение точности определения места глазомерными или инструментальными способами.

Исходные данные для расчета максимального бокового отклонения и результаты расчета приведены в табл. 1.7. Там же приведены значения бокового отклонения, взятые из паспорта БДЛК.

Расчетная формула для оценки бокового смещения может быть получена из формулы (23) после несложного преобразования

, (13)

где  - боковое смещение, м; - расстояние от переднего створного знака, до места нахождения судна, для каждого створа будем рассчитывать точку, в которой судно выходит на створ, км;  - расстояние между знаками, км.

Таблица 1.6

Сводная таблица данных створных знаков БДЛК

Таблица 1.7

Сводная таблица расстояний от переднего знака и величины бокового уклонения

Для того чтобы оценить качество створов для прохождения судна типа СН - 70 по БДЛК произведем расчет ширины полосы, занимаемой судном при ветре до 15 м/с

При скорости 6 узлов (3.09 м/с), времени запаздывания равном 15 секунд и угле рыскания 5⁰, величина маневренного смещения составит

.

С учетом ширины канала 100 метров и зависимости (24) , требуемая точность определения серединной линии по створам равна

Таким образом, створные знаки обеспечивают необходимую точность оценки места судна визуальным способом, за исключением первого, пятого, восьмого, одиннадцатого (прямого и обратного) колена канала.

При ветре до 10 м/с

Таким образом, створные знаки обеспечивают необходимую точность оценки места судна при ветре до 10 м/с, за исключением первого и одиннадцатого обратного створа канала.

.4 Особенности навигации по БДЛК в ночное время

Анализ навигационных происшествий, которые произошли на канале в ночное время, показывает, что основной причиной происшествий является потеря ориентировки при отсутствии лоцмана на борту.

С точки зрения способности человека, оценивать положение судна на серединной линии по створам ночью, она даже выше, чем в дневное время. Это обусловлено тем, что глаз оценивает положение по точечному источнику света, что делает створ более чувствительным.

Кроме того плавание ночью требует более тщательной подготовки к прохождению канала со стороны штурманского состава. Несмотря на то, что проводку осуществляет лоцман, на капитане сохраняется ответственность за безопасность плавания.

Сущность информации, необходимой для управления судном при плавании по фарватеру заключается в следующем.

В открытом море контроль за перемещением судна осуществляется с помощью прокладки пути на карте и периодических обсерваций. При этом судоводителя вполне удовлетворяет регистрация места судна в географических координатах.

При плавании в узкостях, особенно по фарватерам и каналам, судно должно двигаться по строго определенному пути и судоводитель, прежде всего, заинтересован в знании места относительно этого пути. Поэтому полученное в результате обсервации место оценивается в первую очередь для выявления величины смещения судна с заданного маршрута, а также для выявления ошибки в пройденном расстоянии. Величина смещения дает возможность судить об опасности выхода за бровку фарватера, знание ошибки в плавании важно при необходимости правильного выполнения поворота с одного колена фарватера на другое. Более того, изменение окружающей обстановки при плавании в узкостях происходит настолько быстро, что возможность непрерывной регистрации места судна на карте вручную во многих случаях очень ограничена. Чаще всего правильность движения судна по фарватеру оценивается путем глазомерного наблюдения его положения относительно навигационных ориентиров или знаков ограждения.

Способ глазомерной проводки применяется повседневно при лоцманской работе. Ориентируясь, например, по ведущему створу, лоцман тем самым контролирует положение судна относительно осевой линии фарватера, не превышая допустимого уклонения, границей которого служит линия вех или буев. Аналогично, по наблюдению навигационных ориентиров контролируется и продольное положение судна на фарватере относительно какой-либо опорной точки (точка поворота, точка начала фарватера, середина прохода между молами в гавань порта и т.п.).

Если проводка осуществляется в тумане, то установление величины смещения судна с оси фарватера и ошибки в пройденном расстоянии становится главной задачей судоводителя. Поэтому любая навигационная система, предназначенная для обеспечения плавания в узкости в плохую видимость, должна выдавать такую информацию, которая позволила бы установить положение судна относительно оси фарватера именно в виде величин смещения и ошибки в плавании.

Другая особенность плавания в узкостях-это необходимость быстрого использования информации для управления судном. Поэтому вторым требованием к информации для обеспечения плавания по каналам является минимальный срок преобразования результатов обсервации в данные для коррекции движения. Следовательно, наиболее приемлемой навигационной системой будет такая система, информация от которой может быть использована непосредственно, без преобразования, для получения данных о смещении и ошибки в плавании, а еще лучше - прямо для управления судном.

И, наконец, еще одной важной особенностью глазомерной проводки является то, что уверенное управление судном достигается за счет возможности своевременного обнаружения тенденции смещения судна. Следовательно, навигационная система должна иметь такую разрешающую способность, чтобы информация от этой системы позволяла судить также и о тенденции смещения судна с оси канала.

Эти три основные положения (информация о величинах смещения и ошибки в плавании, получение этих данных с максимальной быстротой непосредственно из обсерваций, необходимость знания тенденции смещения судна с оси фарватера) и определяют сущность информации, необходимой для управления судном на фарватере.

При плавании по узким огражденным фарватерам в хорошую видимость маршрутные координаты с достаточной точностью оцениваются на глаз по положению судна относительно ведущих и секущих створов и ограждающих и поворотных буев; лоцманская проводка почти полностью базируется на непрерывных и последовательных определениях маршрутных координат.

Однако все эти погрешности могут быть сведены до минимума, если:

-  линии положения пересекаются под прямыми углами;

-       углы между линиями положения и осью фарватера постоянны;

-       градиенты измеряемых величин сами являются постоянными величинами;

-       одна из линий положения совпадает с осевой линией фарватера, а другая перпендикулярна ей.

Выполнение этих условий обеспечивает значительное упрощение, необходимую быстроту и минимальную погрешность вычисления маршрутных координат. Эти же условия являются решающими для обеспечения обстоятельств, имеющих важное значение для плавания в узкостях. Действительно, обсервации места судна становятся наглядными и хорошо восприимчивыми. Уже сам факт наличия в результате обсервации величин смещения от оси и прохождение траверза известного плавучего знака, позволяет оценить как величину смещения судна с линии заданного пути и накопившуюся ошибку в пройденном расстоянии. При этом величины смещения и ошибки в плавании пропорциональны измеренным величинам. Наглядность результата обсерваций обусловливает возможность быстрого использования его для управления судном при необходимости коррекции движения.

Кроме того при плавании как в дневное, так и в ночное время необходимо использовать судовой радиолокатор. Рассмотрим особенности использования радиолокатора, которые судоводитель должен учитывать при работе.

Трудность опознавания наблюдаемого радиолокационного изображения, которое при движении судна в узкостях и на подходах к порту обычно характеризуется обилием деталей, причем многие из них имеют существенное значение для ориентировки. Нетрудно понять затруднение судоводителя, посещающего порт впервые или после длительного отсутствия и пытающегося разобраться в сложной картине, представленной на экране судового радиолокатора. Очертания берега и искусственных сооружений, многочисленные отметки знаков плавучего и стационарного навигационного ограждения и судов, движущихся и стоящих на якоре, наличие ложных сигналов, исчезновение одних отметок и появление новых - все это настолько затрудняет опознавание нужных объектов, что даже опытные лоцманы допускают серьезные промахи.

Недостаточная точность определения места судна с помощью судового радиолокатора. Так, для подавляющего большинства современных радиолокаторов максимальные ошибки измерений составляют:

При измерении направлений..... ±1⁰

При измерении расстояния:

на шкалах крупного масштаба..... ± 1,5% максимального значения шкалы

на шкалах среднего масштаба...... ±1% То же

на шкалах мелкого масштаба...... 0,6% То же

величина мертвой зоны........... 30-50 м То же

Нетрудно видеть, что определение места судна относительно даже опознанных на экране РЛС ориентиров может сопровождаться значительной погрешностью, исключающей возможность безопасного плавания. Однако необходимо помнить, что на шкалах мелкого масштаба величина погрешности совпадает с точностью оценки бокового смещения по створам. По этой причине не следует отказываться от использования РЛС при плавании по каналу. Он поможет предотвратить потерю ориентировки и позволит контролировать момент начала поворота по хорошо видимым на экране передним знакам створов.

Наличие мертвой зоны вызывает почти аналогичное затруднение при использовании судового радиолокатора в узкостях. Диаметр мертвой зоны в некоторых случаях может превышать ширину фарватера. Попавшие в эту зону знаки ограждения не воспроизводятся на экране индикатора, и судоводитель лишается возможности ориентироваться относительно бровок канала. Это обстоятельство особенно опасно при совершении поворотов на узких фарватерах, а иногда и вообще исключает возможность безопасного плавания по ним.

Наличие затененных секторов, затрудняющих просмотр в направлении определенных курсовых углов, может привести к тому, что отметка буя или судна выпадет из поля зрения наблюдателя.

Появление на экране ложных сигналов за счет боковых лепестков диаграммы излучения и отражений от судовых надстроек, а также вследствие многократных отражений в значительной степени затрудняет чтение радиолокационного изображения и иногда приводит к серьезным ошибкам.

Весьма значительным неудобством при работе с судовым радиолокатором является невозможность наблюдения за радиолокационным изображением одновременно несколькими лицами. В то же время в большинстве случаев проводка судна в узкостях осуществляется при участии лоцмана, рекомендующего режим скорости и направления движения судна, капитана, отвечающего за безопасность проводки, и помогающих им штурманов. Естественно, что все эти лица сосредоточивают свое внимание на наблюдении за обстановкой, в том числе и путем наблюдения ее на экране радиолокатора. Поочередное наблюдение приводит к тому, что при каждом новом подходе к индикатору наблюдателю приходится как бы заново знакомиться с изменениями в изображении. При плавании же в узкостях и использовании шкал крупного масштаба радиолокационное изображение обстановки изменяется чрезвычайно быстро и может случиться, что подошедший к экрану наблюдатель, не видев самого процесса изменения, будет не в состоянии правильно оценить обстановку.

Значительному повышению эффективности проводки судов в узкостях с помощью судовых радиолокаторов способствует использование индикации в режиме истинного движения, что позволяет быстро различать движущиеся объекты и, таким образом, более полно оценивать обстановку.

Учитывая приведенные выше соображения можно считать, что плавание по БДЛК крупнотоннажных судов в ночное время возможно без ограничений, исключая условия ограниченной видимости.

Однако при этом необходима более тщательная подготовка штурманского состава, необходимость составления лоцманского плана проводки конкретного судна с указанием информационного обеспечения на трассе перехода и рекомендуется использовать радиолокатор, как вспомогательное средство контроля места.

2. Система управления движением судна

.1 Система управления маневрированием

В зависимости от условий плавання, вида решаемых тактических и технологических задач маневрирования выбирают способ управления движением. Выбор способа производится путем изменения состава элементов системы управления и включения в работу соответствующих устройств навигационного комплекса, которые обеспечивают регулирование соответствующего параметра. Курсовой способ управления использует принцип управления по отклонению курса от заданного значения.

При курсовом способе с обсервациями используют принцип управления по отклонению фактического места от заданного, информация котрого передается по внешнему контуру, и по отклонению курса по внутреннему.

Курсовой с внешними воздействиями использует принцип управления по отклонению пути, введеним поправок в курс на воздействие гидрометеорологических русловий, и управление происходит только по внутреннему контуру.

При курсовом комбинированном способе используется трех параметрическое управление, и работают оба контура управления системы.

Рассмотрим состав каждого из элементов. Для того чтобы описать элементы системы, не обходимо синтезировать их структурную схему и показать функциональные святи внутр. Элемента, его входы и выходы. Обычно все элементы системы управления маневрированием находяться в рулевой и штурман ской рубках. Те из них, которые предназначены для управления процессом движения, расположены в рулевой рубке и на крыльях мостика.

Устройство указания курса и скорости состоит из за датчика числа оборотов винта (машинного телеграфа);

тахометра (указателя числа оборотов винта);

указателя скорости судна относительно воды;

вычислителя (указателя) скорости судна относительно грунта;

указателя гироскопического, магнитного и истинного курсов.

Рисунок 2.1 - Функциональная схема устройства указания курса и скорости

При этом тахометр, индикатор курса и скорости предназначены для визуального контроля режима движения и правильности выполнения команд машинным отделением и рулевым (авторулевым). Их значения поступают в систему управления для обеспечения работы других элементов и в устройство документирования процесса маневрирования.

Указанное устройство является чисто измерительным, оно позволяет производить наблюдение над процессом маневрирования и выдает вектор текущего движения судна. Поскольку оно является очень важным для обеспечения безопасного плавания, то существуют резервные способы определения курса и скорости. Резервным для определения курса является магнитный компас. Резервным для определения скорости является способ ее определения по числу оборотов винта по специальной таблице, которая имеется на мостике.

Объект управления. Свойство судна, как объекта управления, будут подробно рассмотрены позже. Изменение курса происходит с запаздыванием по отношению ко времени подачи команды, которое зависит от угла перекладки руля и скорости хода.

Информационно-управляющие устройство формирует команду на средства управления. Ее содержание зависит от способа управления.

Рисунок 2.2 - Функциональна схема информационно-управляющего устройства: 1-курсовой; 2-курсовой с обсервациями; 3-курсовой с внешними воздействиями; 4-курсовой комбинированный способ

При курсовом способе заданный алгоритм не изменяется. Поэтому сигнал рассогласования формируется в виде отклонения ∆К = КК_зад - КК_тек текущего курса от заданного. В соответствии с отклонением производится перекладка руля для приведения судна на заданный компасный курс. В открытом море используется авторулевой, в стесненных условиях ручное управление.

При курсовом с внешними воздействиями способе сигнал рассогласования будет в виде отклонения ∆К = КК_зад1 - КК_тек текущего курса от заданного КК_зад1, назначенного с учётом рассчитанных поправок на дрейф, течение, волнение. Его значение КК_зад1 поступит на вход устройства формирования сигнала рассогласования для внутреннего контура управления.

При курсовом с обсервациями способе сигнал рассогласования будет в виде отклонения фактического места судна от заданного, и через систему корректировки траектории приводит к изменению заданного курса, а новое значение КК_зад2 поступает на вход устройства формирования сигнала рассогласования.

При курсовом комбинированном способе сигнал рассогласования будет трехпараметрическим - в виде отклонения курса, места и поправок на внешние воздействия, при этом смещение от линии пути будет минимальным, благодаря более полному учету всех видов информации.

Устройство решения задачи расхождения, блок- схема которого приведена на рис.2.3.

Устройство работает следующим образом. При появлении переменных ограничений (других судов) производится определение параметров ситуации сближения, которые являются исходными данными для входа в каталог решения задачи расхождения. Такими характеристиками являются:

расположение относительно линии курса - справа/слева; величина курсового угла α < 90⁰, α=90⁰ и α > 90⁰;

расположение ЛОД относительно места судна - пересекает курс по носу, проходит через нас или пересекает линию курса по корме.

По этим данным выполняется анализ ситуации, и, если наблюдается опасное сближение, то включается в работу устройство предупреждения столкновения, которое вырабатывает рекомендацию по маневрированию и выдает визуализацию схемы сближения. В противном случае данные поступают в каталог, который вырабатывает рекомендации по маневру расхождения и они поступают в задатчик курса и система получает новый алгоритм управления.

Устройство формирования сигнала рассогласования производит сравнение текущего и заданного значения соответствующего управляемого параметра и выдает сведения, на основании которых принимается решение о корректировке движения отдачей команды, на средства управления.

Рисунок 2.3 - Функциональная схема устройства решения задачи расхождения

При плавании в стесненных условиях и при выполнении морских операций в состав информационно- управляющего устройства входит человек-оператор, что позволяет сочетать технические средства с интеллектуальными возможностями человека, однако при этом необходимо согласование его психофизиологических характеристик с параметрами процесса движения.

При выполнении контроля с поступлением обсервованой точки от навигационного комплекса необходимо произвести расчёт расстояний и пеленгов от обсервованных точек до точек плановой траектории по известным формулам:

ИП_i = arctg [(λ₀ - λ_i)·cosφ₀/(φ₀ - φ_i)] (14)

D_i = 1852·(φ₀ - φ_i)/cos ИП_i (15)

Затем определяется минимальное значение D_min и если оно меньше D_зад, то угол перекладки руля остаётся неизменным до следующей обсервации. Если же D_min>D_зад, то в зависимости от положения обсервованной точки относительно плановой, изменяется угол кладки для выхода на плановую траекторию.

Заданный алгоритм функционирования системы управления разрабатывается в подсистеме планирования движением. Он различен при различных способах управления: КК_зад при курсовом; ПУ и КК_зад1 при курсовом с внешними воздействиями; КК_зад2, φ_зад и λ_зад при курсовом с обсервациями; при курсовом комбинированном ПУ, КК_зад3, φ_зад и λ_зад

Рисунок 2.4. - Схема формирования сигнала рассогласования

Устройство определения места служит для оценки положения судна различными способами. Особенности требований к работе этого устройства заключается в том, что сведения о местоположении судна должны быть получены как можно быстрее, в противном случае информация может оказаться бесполезной, если она запоздает к моменту принятия решения по управлению. Функциональная схема системы определения места приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 - функциональная схема системы определения места судна

Выбор способа определения места судна зависит от навигационного оборудования на судне и района плавания. Если плавание происходит вдали от берегов, то возможно использование астрономических способов спутниковых систем. При плавании в прибрежной зоне и в стесненных условиях положений необходимо контролировать визуальными способами с использованием РЛС и анализировать данные для исключения погрешностей и промахов.

Устройство расчета поправок на внешние воздействия вычисляет углы сноса от ветрового дрейфа, течения и других факторов и определяет КК_зад, ПУ и корректирует их изменения вектора скорости и параметров внешних воздействий. Функциональная схема устройства приведена на рисунке 2.6.

Устройство определения опасности столкновения работает на втором уровне иерархии в составе системы планирования маневрирования и приводит к изменению заданного алгоритма управления при маневрировании.

Рисунок 2.6 - Функциональная схема устройства расчёта поправок

Сравнительный анализ существующей и перспективой систем управления движением позволяет определить пути обеспечения гарантированной безопасности плавания. Устройство определения опасности столкновения работает на втором уровне иерархии в составе системы планирования движения и приводит к изменению заданного алгоритма управления при маневрировании.

Приведённая система управления движения позволяет адаптировать состав необходимых средств и способов планирования процессом для обеспечения гарантированной безопасности маневрирования при решении тактических и оперативных задач во время выполнения морских операций.

2.2 Способы управления движением судна

Для описания движения судна, необходимо знать, как движутся различные его точки. Поскольку разные точки судна движутся по-разному, то для исследования процесса маневрирования достаточно ограничится описанием движения только одной материальной точки - центра тяжести судна С. В ней сосредоточена масса судна. Для полного описания движения судна необходимо задать начальные условия, в виде времени и координат начала движения, координат окончания движения и промежуточных точек.

Если параметры, описывающие состояние системы маневрирования, и внешние воздействия предполагаются известными, то система управления называется детерминированной. Детерминированное управление позволяет использовать классический аналитический аппарат для решения разнообразных задач управления. Линейные задачи позволяют использовать принцип суперпозиции. Проблемы возникают при необходимости учета нелинейных факторов.

В связи с тем, что внешние, задающее и возмущающие воздействия непрерывно изменяются во времени и заранее не могут быть определены однозначно, приходится использовать стохастичное управление. Оно основано на знании статистических характеристик случайных функций и коэффициентов уравнений управляемых объектов.

При рассмотрении процесса маневрирования судна объектом управления является его корпус. Целью системы управления маневрами является необходимость провести судно по линии, заданного прямолинейными и криволинейными участками, пути.

После того как цель выбрана, необходимо согласовать возможность достижения поставленной задачи с учетом наличия ограничений на акваторию для маневрирования и величину управляющих воздействий, которые необходимы для приведения системы в требуемое состояние.

После выбора цели и учета ограничений, возникает третья задача - реализация способа достижения цели. При этом необходимо выбирать лучший, из большого числа возможных вариантов, т.е. произвести оптимизацию процесса маневрирования. Наилучший вариант обычно соответствует экстремуму показателя качества, т.е. минимуму или максимуму функции, описывающей данный процесс.

Любая система состоит из элементов, каждый из которых имеет функциональное назначение, для выполнения которого он соединен каналами связи с другими. По каналам связи циркулирует информация, которую разделяют на два вида - процедурную и декларативную. Декларативная информация несет сведения о параметрах состояния системы. В процедурной же заключен алгоритм действий судоводителя, который он должен реализовать, для приведения системы в заданное состояние. Совокупность таких видов информации образует знание того что, когда и как делать, для обеспечения нормального функционирования системы. Считается, когда информация передается по каналам связи от элементов системы к объекту управления, то это прямая связь. Если информация о параметрах состояния элемента передается от объекта управления к элементам системы, то это обратная связь.

В дальнейшем при рассмотрении процесса маневрирования используется детерминированное управление. Это означает, что знание состояния системы в некотором интервале времени, позволяет полностью определить поведение объекта управления вне этого интервала. При рассмотрении процесса маневрирования различают два вида ограничений - на акваторию для маневрирования и величину управляющих воздействий.

Для детерминированного процесса ограничения первого рода на акваторию для маневрирования бывают двух видов - жесткие и переменные (мягкие). Жесткие ограничения известны априори и не изменяются в процессе движения. Мягкие первого рода возникают и исчезают спорадически и требуют корректировки заданного алгоритма управления.

Ограничения второго рода на величину управляющих воздействий известны априори и они не влияют на заданный алгоритм управления процессом маневрирования, а только определяют время его протекания.

Если указанные вероятностные характеристики заранее заданы, то они позволяют определить в явной форме критерий оптимальности и ограничения в виде условных математических ожиданий.

Детерминированное управление можно рассматривать как частный случай стохастического, плотность распределения параметров которого представляет собой импульсную функцию Дирака. Объем априорной информации для детерминированного управления, обычно больше, чем для стохастического, поскольку для них плотность распределения заранее известна, тогда как для стохастических процессов ее нужно определить.

Для определения функциональных связей рассмотрим обобщенную структурную схему системы гарантированного безопасного маневрирования, приведенную на рисунке 2.7.

Для планирования процесса маневрирования необходимо уточнить выбор управляющих воздействий. При рассмотрении вопросов маневрирования вводят две градации - сильное и слабое управляющее воздействие. При выборе режима работы главной силовой установки к сильным управляющим воздействиям отнесем полный и средний передний, задний полный, а для руля - угол перекладки более 15°. К слабым управляющим воздействиям относятся малый и самый малый передний ход, малый и средний задний ход, а для руля - угол перекладки менее 15°.

Выбор управляющих воздействий при планировании маневров и их практическом выполнении необходимо производить с учетом того, что необходим их резерв на случай, если запланированный маневр окажется неудачным, либо возникнет непредвиденная ситуация и потребуется корректировка движения.

Рис. 2.7 Обобщенная структурная схема системы управления

По этой причине при планировании необходимо выбирать только слабые управляющие воздействия. Это благоприятно сказывается на маневрировании судна, так как уменьшает дефицит времени и напряженность в работе капитана.

Графическая схема движения состоит из планируемой траектории в масштабе с нанесенными на нем точками, в которых необходимо менять курс и/или скорость судна.

Для облегчения планирования маневров и более детального разбора действий капитана при ее выполнении весь процесс разбивают на этапы, в соответствии с целями, которые достигаются на каждом из них, и назначаемыми управляющими воздействиями.

При выполнении маневрирования могут быть использованы четыре фундаментальных принципа управления - курсовой, курсовой по отклонению, курсовой по возмущению и курсовой комбинированный.

При курсовом способе (рисунок 2.8) судно управляется по компасу, без учета внешних возмущений и обстоятельств плавания, движение судна не корректируется.

Рис. 2.8 Схема движения при курсовом способе управления движением

При таком способе отклонение от намеченного пути происходит за счет действия как внешних, так и внутренних факторов максимально, плановая траектория не учитывается. Судно никогда не придет в пункт назначения. Однако он зачастую используется на отрезках пути между обсервациями.

Структура системы управления движением будет иметь вид, приведенный на рисунке 2.9.

Рис. 2.9 Функциональная схема управления курсовым способом

Такой способ работает следующим образом. По координатам пункта отхода А и прихода В вручную или в устройстве формирования заданного алгоритма управления рассчитывают курс, исправив его поправками компаса. Заданный и фактический курс поступают на средства управления. Затем автоматически или вручную поддерживают (регулируют) его величину. Для этого информация от устройства указания курса, по внутреннему контуру, поступает на средства управления. В них он сравнивается с заданным и вырабатывается сигнал рассогласования, по величине которого, управляющее воздействие приводит объект управления на заданный курс.

При курсовом по отклонению способе (рисунок 2.10) курс судна меняется всякий раз, когда проводится определение места и устанавливается, что произошло смещение относительно планируемой траектории, и чем чаще определяется место, тем точнее судно выйдет в намеченную точку.

Обычно при рассмотрении процесса маневрирования используется неподвижная геоцентрическая систему координат, связанная с Землей. При этом движение судна рассматривают относительно плоской и неподвижной Земли.

Рис. 2.10 Схема движения при курсовом по отклонению способе управления

Такой способ работает следующим образом. По координатам пункта отхода А и прихода В вручную или автоматически в системе планирования маневров разрабатывается заданный алгоритм функционирования системы маневрирования, рассчитывается курс, исправив его поправками компаса, и определив заданные координаты линии пути. Заданный курс поступает на средства управления и в дальнейшем система управления маневрами работает по внутреннему контуру. Заданное и фактическое положение поступает по внешнему контуру на устройство сравнения.

При определении места по внешнему контуру отклонение от линии заданного пути поступает в систему планирования маневров, где определяется новое значение курса. После этого информация от устройства указания курса, по внутреннему контуру, поступает на средства управления, где регулируется новое значение курса. Управляющее воздействие приводит объект управления на новый заданный курс.

Рис. 2.11 Функциональная схема управления курсовым по отклонению способом

При появлении мягких ограничений система оценивает ситуацию сближения и вырабатывает новое значение заданного алгоритма функционирования, включая изменение направления и скорости движения.

При курсовом по возмущению способе управления (рисунок 2.12) курс судна назначается с учетом влияния внешних возмущений. Отклонение от намеченного пути возникает за счет неточного знания углов сноса от действия внешних факторов и поправок приборов указания курса.

Рис. 2.12 Схема движения при курсовом по возмущению способе управления

Структура системы управления маневрированием курсовым по возмущению способом имеет вид, приведенный на рисунке 2.13.

Рис. 2.13 Функциональная схема управления курсовым по возмущению способом

Такой способ работает следующим образом. По координатам пункта отхода А и прихода В вручную или автоматически в устройстве расчета поправок и курса разрабатывается заданный алгоритм функционирования системы маневрирования.

Для этого определяют истинный курс из пункта отхода в пункт прихода (либо из предыдущей путевой точки в следующую ПТ) и поправок на действие внешних и внутренних возмущений. Затем исправляют его поправками компаса, и определяют заданный компасный курс. Его значение поступает на средства управления и в дальнейшем система управления маневрами работает по внутреннему контуру.

При курсовом комбинированном способе курс судна из пункта отхода в пункт прихода (или из предыдущей точки в следующую ПТ, см. рисунок 2.7) назначается с учетом внешних возмущений и периодически корректируется с учетом определения места судна, изменения параметров внешних воздействий и расположения пункта назначения.

Схема движения при управлении курсовым комбинированным способом приведена на рисунке 2.14. Она характерна тем, что имеет полный набор элементов, которые за счет функциональных связей позволяют обеспечить гарантированное безопасное маневрирование.

Рис. 2.14 Схема движения при курсовом комбинированном способе управления

Существующие системы управления движением судна не имеют в своем составе подсистем расчета маневренных свойств судна, планирования маневров, расчета поправок на внешние воздействия и корректировки заданного алгоритма функционирования системы управления движением при появлении мягких ограничений.

При плавании в открытом океане наибольшее распространение получил способ управления по отклонению. Этому способствовал тот факт, что судоводителю не всегда известны углы сноса от ветра и течения, а спутниковые системы позволяют достаточно часто определять место судна с достаточной для практики точностью. Происходящее при этом отклонение от намеченного пути незначительно и может быть учтено, даже без знания причин сноса.

При выполнении швартовных операций и плавании в стесненных водах необходимо применять комбинированный способ, так как отклонение от намеченного пути определением места судна выявить не всегда представляется возможным, из-за скоротечности происходящих процессов и запаздывания такой информации ко времени принятия решения. Корректировка отклонения, возникшего за счет неточного знания углов сноса, может быть произведена слабыми управляющими воздействиями. При выполнении определения углов сноса визуально, во время управления судном, без предварительного расчета, возникающие ошибки могут быть значительными, и потребуется применение сильных управляющих воздействий, что значительно осложняет работу.

2.3 Средства управления движением

Классификация средств управления. Движение морского судна относительно воды обеспечивается различного типа движителями, наиболее распространёнными из которых является гребной винт - располагаемый за кормой судна.

Сила упора винта создаётся за счёт реакции струи, отбрасываемой винтом назад или вперёд в зависимости от направления вращения.

Грузовые суда чаще бывают одновинтовыми, а пассажирские - двухвинтовыми.

Полезная сила упора движителя -сила тяги Р_е- равна(при прямолинейном и равномерном движении судна и отсутствии ветра) и прямо противоположна силе сопротивления воды R, т.е.

Р_е = R (16)

Эффективность движителя, создающего полезную мощность за счёт подводимой к нему мощности двигателя, измеряется величиной пропульсивного коэффициента

(17)

где P_e -сила тяги, кН; V-скорость судна, м/с; N_p-подводимая к движителю мощность, кВт.

Силой тяги движителя и силой сопротивления воды определяется мореходное качество-ходкость судна, под которой подразумевается способность преодолевать сопротивление внешней среды и двигаться с заданной скоростью.

Основным и наиболее распространённым средством управления (СУ) судном является рулевое устройство, рабочим органом которого является руль(перо руля), располагаемый в корме судна. СУ, обеспечивающие маневрирование судна, подразделяют на главные, вспомогательные и ограничивающие.

Расположение руля в струе от винта повышает его эффективность. Так руль, расположенный в диаметральной плоскости на одновинтовом судне, более эффективен, чем на двухвинтовом. Иногда двухвинтовые суда имеют два пера руля, располагаемые за винтами, что резко повышает их эффективность. СУ, обеспечивающие маневрирование судна, подразделяют на главные, вспомогательные и ограничивающие.

Средства управления как движущий и управляющий, а, следовательно, неотъемлемый элемент судна существуют столько времени, сколько существует судоходство и судостроение. Первыми СУ были парус, весла, рули. С развитием судостроения появились новые типы СУ, конструкции, и свойства которых связаны с типом и назначением судов, условиями их эксплуатации, особенностями энергетических установок.

В настоящее время на транспортных судах применяются многие десятки различных видов СУ, а число запатентованных СУ исчисляется многими сотнями. Наибольшее число видов СУ используется на судах внутреннего и смешанного (река - море) плавания эксплуатируемых в сложных условиях ограниченного фарватера и требующих повышенных маневренных качеств.

Главные устройства управления. Главные СУ характерны тем, что для их использования необходима работа главных двигателей судна. К ним относятся главные движительные устройства судна, рулевые устройства, главные движительно-рулевые устройства.

Главные движительные устройства создают силу, приближенно по направлению совпадающую с диаметральной плоскостью судна, поэтому они используются, когда цель управления состоит в поддержании или изменении скорости судна. В качестве главных движительных устройств могут использоваться винты фиксированного шага (ВФШ), винты регулируемого шага (ВРШ), водометные движители и гребные колеса. ВФШ и ВРШ для повышения их эффективности могут быть помещены в неподвижные или поворотные насадки.

С точки зрения пропульсивных качеств наиболее эффективной является одновальная механическая установка ВФШ. В этом случае можно максимально уменьшить выступающие части и достигнуть наиболее высокого значения коэффициента влияния корпуса. Однако в некоторых случаях (невозможность установки, например, винта большого диаметра) приходится отказываться от такой установки. Увеличение числа гребных винтов диктуется требованием повышения живучести судна, а также стремлением повысить его экономичность путем применения разных двигателей для малых и полных ходов. В последнем случае особенно удобна трехвальная компоновка, когда средний винт (или бортовые винты) обеспечивает экономичный ход.

На больших пассажирских судах для достижения повышенной скорости требуемая мощность столь велика, что затруднительно использование суммирующего редуктора большой мощности. Это обстоятельство обусловило применение на таких судах двухвальной движительно-двигательной установки.

Трех- и четырехвальные установки применяются на быстроходных судах большого водоизмещения и ледоколах.

В одновальных гребных установках направление вращения гребного винта определяется направлением вращения двигателя. При следовании судна прямым курсом, когда руль расположен в диаметральной плоскости, оно может уходить с курса: вправо - при правом вращении гребного винта и влево - при левом его вращении (для некоторых судов в балласте при оголении винта и руля имеет место обратная закономерность). Причина этого явления - действие сил С (влияние работы гребного винта на перо руля; для винта правого вращения стремится повернуть корму влево), b (сила, возникающая из-за неравномерности поля скоростей, вызванной попутным потоком; для винта правого вращения стремится повернуть корму влево) и D (возникающей вследствие возникновения на нижней лопасти винта большей силы реакции чем на верхней; для винта правого вращения стремится повернуть корму вправо). Неравенство этих сил приводит к появлению их результирующей, которая в итоге и влияет на уклонение судна с курса. При установке на судне двух гребных винтов одинакового вращения результирующие силы от каждого винта суммировались бы и для компенсации потребовалась бы значительная перекладка руля. Поэтому на двухвинтовых судах направление вращения гребных винтов принимается противоположным. Наружное вращение гребных винтов (лопасти в верхнем положении движутся к борту) предпочтительнее и с эксплуатационной точки зрения. При этом уменьшается вероятность повреждения лопастей винта плавающими предметами, а также заклинивания гребного винта битым льдом. Исходя из этих соображений, наружное направление вращения придают гребным винтам трех- и четырехвальных судов. Средний винт у трехвального судна может вращаться так же, как и у одновального, т. е. в произвольную сторону.

Направление вращения внутренних гребных винтов четырехвального судна выбирается исходя из модельных испытаний каждой серии судов отдельно.

Винты регулируемого шага (ВРШ). Одна из первых конструкций винта регулируемого шага (ВРШ) была предложена в 1844 г. В то время пароходы еще сохраняли парусное вооружение. Когда такое судно шло только под парусами, лопасти винта ставили во флюгерное положение (по потоку). Это уменьшало сопротивление винта.

В дальнейшем, с применением в качестве главных двигателей дизелей, паровых турбин и, особенно, с появлением нереверсивных газовых турбин снова возрос интерес к ВРШ, теперь уже как к реверсивному устройству.

Все более широкое распространение ВРШ на морских судах объясняется еще и следующим. Известно, что обычный винт фиксированного шага (ВФШ) может использовать полную мощность двигателя только при определенном значении сопротивления движению судна. Если это сопротивление в процессе эксплуатации судна изменяется (например, при переходе со свободного хода на режим буксировки или траления), то винт будет соответствовать двигателю лишь при каком-либо одном значении сопротивления, а при остальных его значениях он будет либо «тяжелым» (двигатель не может развить полного числа оборотов при полной мощности), либо «легким» (винт не использует при полном числе оборотов полной мощности двигателя).

Для полного использования мощности двигателя при всех значениях сопротивления необходимо, чтобы каждому значению сопротивления соответствовал определенный шаг гребного винта. Идея совмещения серии гребных винтов различного шага в одном движителе и нашла воплощение в конструкциях ВРШ.

В настоящее время ВРШ устанавливают на судах различного назначения.

Состав установки ВРШ. Система управления всеми видами ВРШ принципиально одинакова. ВРШ проектируется так, чтобы поворот лопастей винта осуществлялся из рулевой рубки.

Обычно установка ВРШ состоит из следующих основных элементов (рис. 2.15):

гребной винт 1 с поворотными лопастями (ВПЛ); в ступице ВПЛ размещается механизм поворота лопастей (МПЛ);гребной вал 2; механизм изменения шага 3 (МИШ), состоящий из сервомотора, создающего усилие для поворота лопастей, устройства для подведения энергии к сервомотору и устройства, управляющего положением лопастей; силовая часть системы управления 4, которая служит для преобразования имеющейся на судне энергии в такой вид, который наиболее удобен для подведения к сервомотору;

пост дистанционной системы управления 5, функции которого заключаются в непосредственном управлении регулирующим элементом силовой части (например, распределительным золотником в ВРШ с гидравлическим приводом).

Рисунок 2.15 - Схема установки ВРШ на судне

По диапазону поворота лопастей:

-  всережимные - лопасти могут быть зафиксированы в любом положении внутри диапазона «Полный вперед» - «Полный назад»,

-       многопозиционные, обеспечивающие несколько режимов (чаще всего три),

-       двухпозиционные - лопасти могут быть зафиксированы только в двух положениях, соответствующих крайним точкам диапазона;

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

-       гидравлическим - усилие создается в гидравлическом сервомоторе,

-       электромеханическим - усилие создается электродвигателем,

-       механическим - усилие создается за счет энергии вращающегося гребного вала,

-       ручным - перекладка лопастей производится мускульной силой человека;

Принципу построения системы управления винтом системы:

-  следящая - каждому положению управляющей рукоятки соответствует определенное положение лопастей, т. е. лопасть как бы «следит» за управляющим органом;

-       не следящая - отклонение рукоятки от нейтрального положения влечет за собой поворот лопасти, а возвращение ручки в нейтральное положение останавливает лопасть.

Наибольшее распространение получили всережимные ВРШ с гидравлическим приводом и следящей системой управления.

Достоинства и недостатки ВРШ. Опыт многолетней эксплуатации ВРШ на судах различного назначения в самых разнообразных условиях показывает, что движитель является достаточно надежным механизмом, а применение его экономически вполне оправдано.

ВРШ обладают следующими преимуществами по сравнению с ВФШ:

-  обеспечение реверса судна без изменения направления вращения винта, что позволяет обойтись без турбины заднего хода на судах с паровыми и газовыми турбинами;

-       получение при неизменном числе оборотов (в том числе и при максимальном) любого значения скорости - от нулевой до наибольшей - за счет изменения шага лопастей путем их поворота;

-       возможность установки при длительном ходовом режиме наиболее выгодного сочетания шага винта и оборотов главного двигателя;

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

-       существенное увеличение моторесурса главных дизелей благодаря резкому уменьшению числа их пусков и остановок при швартовке или плавании в сложных условиях;

-  возможность дистанционного поворота лопастей винта с мостика без подачи команд в машинное отделение;

-       облегчение швартовных и буксировочных операций, постановки и выборки сетей, траления благодаря большому диапазону изменения ходов;

-       уменьшение времени торможения и длины тормозного пути за счет ускоренного реверса;

-       уменьшение нагрузки на якорную цепь при съемке с якоря благодаря широкому выбору необходимого хода;

-       использование на электроходах с ВРШ в качестве гребных электромоторов наиболее простых синхронных электродвигателей переменного тока;

-       снижение на двух-трех винтовых судах сопротивления неработающего винта разворотом его лопастей;

-  практически постоянное соответствие винта двигателю, чего нельзя достичь при наличии ВФШ из-за возможного износа двигателя, обрастания корпуса и т. д.; в случае с ВРШ несоответствие всегда может быть устранено небольшим изменением шага;

-       получение на швартовных испытаниях полной мощности при полных оборотах двигателя путем уменьшения шага винта.

Наряду с перечисленными достоинствами ВРШ имеют такие недостатки, как:

-  ВРШ по сравнению с ВФШ имеют более сложную конструкцию, а, следовательно, и меньшую надежность;

-       диаметр ступицы ВРШ примерно в 1,5 раза больше, чем ВФШ, длина ступицы также несколько больше, что усложняет задачу создания обтекаемого комплекса «дейдвуд - ступица - руль»;

-       масса ВРШ в 2-2,5 раза больше массы ВФШ с теми же геометрическими элементами лопастей; это требует усиления подшипника кронштейна или дейдвуда;

-       коэффициент полезного действия (к. п.д.) ВРШ, как правило, несколько ниже к. п. д. ВФШ (на 1-3%);

-       главный двигатель в установке с ВРШ должен иметь регулятор числа оборотов: при проходе лопастей через положение «Стоп» винт снимает с двигателя очень малую нагрузку, поэтому при отсутствии регулятора в указанном положении двигатель начнет работать «вразнос».

ВФШ и ВРШ в неподвижных насадках. Направляющая насадка на гребной винт впервые была предложена в 1887 г. русским ученым Ф. А. Бриксом. Цель ее применения - повышение скорости, улучшение тяговых характеристик и маневренных качеств судов.

Направляющие насадки на гребные винты являются эффективным средством повышения пропульсивных качеств судов с тяжело нагруженными движителями. Направляющими насадками оборудуются буксирные суда и промысловые траулеры. Значительное распространение направляющие насадки различной конструкции получили также на транспортных судах и крупнотоннажных танкерах. В отдельных случаях направляющие насадки на гребные винты устанавливают для защиты лопастей от повреждений при плавании на мелководье, во льдах и других специфических условиях.

По конструктивным особенностям и назначению направляющие насадки разделяют на обычные осе симметричные и несимметричные. Обычная осе симметричная насадка образуется вращением крылового профиля заданной формы вокруг оси гребного винта. Несимметричная насадка характерна тем, что профили каждого ее меридионального сечения имеют различную форму, размеры и угол с осью гребного винта.

Неподвижная направляющая насадка жестко связана с корпусом судна и плавно сопрягается с ним.

Воздействие направляющей насадки на скорость потока в диске гребного винта является определяющим фактором в ее влиянии на КПД этого движительного комплекса. Значение и направление дополнительной скорости, вызываемой насадкой в диске гребного винта, зависят от ее геометрической формы. Для достижения наибольшего КПД комплекса и упора насадки необходимо при ее конструировании стремится к максимальному увеличению скорости протекания через диск гребного винта. Сложная картина формирования и отрыва трехмерного пограничного слоя на поверхности насадки не позволяет в настоящее время теоретически решить задачу выбора оптимальной геометрической формы ее профиля.

Только на швартовном и близких к нему режимах наблюдается обратная картина, и значение необходимого для обеспечения одинакового запаса против возникновения кавитации дискового отношения гребного винта в насадке примерно на 5% меньше, чем для открытого винта. При этом развиваемый комплексом упор на 20-25% больше, чем у открытого гребного винта.

ВФШ и ВРШ в поворотных насадках. Пропульсивные свойства гребного винта в поворотной направляющей насадке аналогичны пропульсивным свойствам гребного винта в неподвижной насадке. Однако поворотная направляющая насадка обеспечивает также управление судном как рулем. Поворотные направляющие насадки будут более подробно рассмотрены ниже в разделе главных рулевых устройств. Здесь же следует еще указать на то, что поворотные направляющие насадки обычно бывают со стабилизатором для уменьшения момента на баллере и улучшения управляемости (рис. 2.16). По способу крепления к корпусу различают подвесные и двух опорные поворотные насадки. Кроме кольцевых насадок существуют и другие модификации (рис. 2.17).

Рисунок 2.16 - Поворотные насадки: а) со стабилизатором; б) подвесная; в) двухопорная

Рисунок 2.17 - Модификации поворотных насадок

Водометные движители. Водометный движитель (рис.2.18) включает следующие основные части:

-  водозаборное устройство, предназначенное для приема воды из свободного потока и подачи к рабочему колесу; рабочее колесо, которое передает энергию двигателя потоку, протекающему через движитель;

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

-  реверсивно-рулевое устройство, обеспечивающее изменение направления действия тяги движителя без реверса приводного двигателя.

Рисунок 2.18 - Схема водометного движителя: 1-водозаборное устройство; 2-рабочее колесо; 3-сопло; 4-реверсивно-рулевое устройство.

Коэффициент полезного действия водометного движителя и кавитационные качества рабочего колеса в значительной степени обусловлены гидродинамическим и внешним сопротивлением водозаборника, степенью равномерности потока, подводимого водозаборником к рабочему колесу.

Гидравлическое и внешнее сопротивление водозаборника, а также структура потока перед рабочим колесом зависят от конфигурации водоприемного патрубка и трубопровода, их геометрических размеров, относительной скорости протекания воды через водозаборный трубопровод, чистоты обработки поверхностей и т. п.

В качестве рабочих колес водометных движителей обычно применяют осевые и центробежные насосы. Путем комбинации нескольких насосов можно получить необходимое для водометного движителя сочетание напора и расхода.

Если не удается обеспечить требуемый напор (или расход) одной ступенью, возможно использование двух- и трехступенчатых рабочих колес (число ступеней может быть и больше). Полный напор рабочего колеса определяется как сумма напоров ступеней. Рассчитанный как сумма напоров одноступенчатых насосов напор многоступенчатого рабочего колеса в достаточно широком диапазоне поступи отличается от измеренного не более чем на 3-5%. Это справедливо также при работе лопастей осевого насоса в условиях развитой кавитации.

На кратковременных режимах работы (например, во время выхода судна на крылья) для улучшения компоновки движителя иногда выгодно допустить кавитацию лопастей рабочего колеса, если обеспечиваются требуемые тяговые характеристики. Напорные характеристики насосов при развитой кавитации можно определить только по данным модельных испытаний. Напор рабочих колес с кавитирующими лопастями в реальных условиях меньше, чем в однородном потоке. Снижение напора зависит от характера неоднородности потока, конструкции рабочего колеса, режима работы и должно быть в каждом конкретном случае определено в результате испытания моделей. Модельные испытания показывают, что уменьшение напора вследствие неоднородности потока может достигать 25%; момент на валу рабочего колеса снижается в меньшей степени. Эффективность рабочего колеса в этих случаях уменьшается на 10-20%.

Проблема стабильной работы движителей вблизи свободной поверхности воды, когда попадание атмосферного воздуха в гидравлическое сечение движителя, особенно при волнении, неизбежно, радикально решается использованием в движителях вентилируемых лопастных систем. При работе подобных движителей на лопастях образуются воздушные каверны, полости которых соединены с атмосферой. Тяга вентилируемых водометных движителей (ВВД) создается на основном режиме работы только за счет повышения давления на нагнетающей стороне лопасти. Поэтому такие движители практически не изменяют гидравлические характеристики во время работы в потоке, насыщенном воздушными пузырями, и в случае частичного оголения гидравлического сечения. ВВД состоит из водозаборника, приводного вала с кронштейном и рабочего колеса, размещенного на выходном участке водозаборника. Для полной вентиляции лопастей, которая происходит при смыкании воздушной каверны на лопастях с атмосферным воздухом, компоновка движителя на корпусе судна должна предусматривать контакт струи с атмосферным воздухом, т. е. надводный или полузатопленный выброс струи. Пример компоновки ВВД с корпусом быстроходного судна показан на рис. 2.19.

Сопло водометного движителя формирует струю, необходимую для обеспечения тяги. Площадь на срезе сопла меньше, чем на входе в него, поскольку рабочее колесо создает избыточную потенциальную энергию - повышенное давление, которое необходимо преобразовать в кинетическую энергию струи, т. е. получить приращение скорости. Поджать сечение сопла можно в результате сужения наружного трубопровода, как это показано на рис.2.20., либо расширением центрального тела, которое является продолжением ступицы спрямляющего аппарата.

Рисунок 2.19 -. Компоновка вентилируемого водометного движителя

Рисунок 2.20 - Схема сопл водометного движителя: 1-поджатие стенкой водовода; 2- поджатие внутренним телом

В этом случае струя, истекая из кольцевого отверстия, будет иметь форму полого цилиндра. Второй вид оформления сопла рационален при большом диаметре ступицы последней ступени рабочего колеса, так как позволяет значительно сократить длину сопла.

Водометные движители снабжаются реверсивными устройствами. Эти устройства отклоняют струю, истекающую из сопла движителя на ~180° что приводит к изменению направления действия силы реакции струи, а значит и направления тяги движителя. Путем отклонения струи движителя с помощью рулевого устройства можно получить боковую силу для управления судном. Обычно реверсивное и рулевое устройства совмещают в единую конструкцию, которая получила названий реверсивно-рулевого устройства (РРУ).

Эффективность реверсивного устройства оценивается тягой заднего хода на швартовых, которая измеряется в долях от тяги переднего хода при одинаковой мощности приводного двигателя или одинаковой частоте вращения рабочих колес. Тяга заднего хода у лучших образцов РРУ достигает 60-65% от тяги переднего хода; в среднем она составляет 45-55%.

Водометные движители при умеренных скоростях судна уступают по КПД гребным винтам и применяются, когда необходимы малая осадка и лучшая защищенность рабочего органа. При больших скоростях судна эффективность водометных движителей близка к эффективности гребных винтов и вследствие конструктивных преимуществ они широко применяются на судах на воздушной подушке и подводных крыльях.

Гребные колеса. Гребное колесо представляет собой вращающуюся цилиндрическую конструкцию с осью, расположенной поперек судна, и укрепленной на ней по окружности прямоугольными лопастями - плицами. Относительно ватерлинии гребное колесо размещается так, что находящиеся в нижнем положении плицы погружены в воду. Упор гребного колеса создают силы, возникающие на погруженных в воду плицах. Для уменьшения потерь энергии из-за образования брызг при входе и выходе плиц из воды они шарнирно соединяются с эксцентриковым механизмом, регулирующим положение плиц при повороте колеса. Гребные колеса применялись на судах с начала XIX века. Первым колесным судном, совершавшим регулярные рейсы, был п/х “Клермонт” (США). В начале XX века на смену гребным колесам пришли более эффективные движители - гребные винты.

Главные рулевые устройства. Рулевые устройства (РУ) отличаются тем, что их действие проявляется только при наличии скорости судна. Рулевые устройства поэтому эффективны только при работе главных движителей (или в течение короткого времени после остановки последних) и непригодны для обеспечения управляемости судна на предельно малых скоростях хода и без хода.

Под термином «ход» понимается процесс перемещения судна в направлении ДП под действием приложенной к судну тяги. Термин «без хода» не означает, что судно неподвижно, а свидетельствует лишь об отсутствии продольной тяги, либо об отсутствии продольной проекции скорости движения судна. В последнем случае судно может двигаться лагом или вращаться относительно точки, расположенной на ДП. Под термином «предельно малая скорость хода» следует понимать скорость около 1 м/с и менее.

В качестве рабочих органов РУ применяются рули, рули повышенной эффективности, много перьевые рулевые комплексы, поворотные насадки на гребные винты, сопла водометных движителей.

Рули. Руль представляет собой крыло, которое поворачивается вокруг вертикальной оси и располагается в потоке воды за корпусом судна. Для увеличения скорости обтекания руля его часто размещают полностью или частично в струе, отбрасываемой гребным винтом.

Действие руля основано на том, что гидродинамическая сила, возникающая на пере руля при наличии угла атаки, через связи руля с корпусом передается на корпус судна.

Сила, возникающая на руле, пропорциональна квадрату скорости обтекания руля или приближенно квадрату скорости движения судна. Поскольку гидродинамические силы и моменты, возникающие на корпусе судна, также пропорциональны квадрату скорости движения, эффективность работы руля на малых скоростях практически от скорости хода не зависит (при безветрии). Для защиты от аэрации руль следует размещать за кормой судна таким образом, чтобы при перекладке его профиль не выходил за горизонтальную проекцию действующей ватерлинии и по возможности был удален от нее, в особенности от транца кормы. Руль состоит из пера руля и баллера руля (рис. 2.21). Перо руля представляет собой тело, непосредственно воспринимающее гидродинамическое давление. Часто под термином «руль» понимают только перо руля. Баллер руля служит для поворота пера руля относительно вертикальной оси и для крепления пера руля к корпусу судна. Судовые рули могут быть классифицированы следующим образом:

А. По способу соединения пера руля с корпусом судна (рис. 2.22.): а) простые - с несколькими опорами на ахтерштевне; б) полуподвесные - висящие на баллере и опертые на корпус или специальный кронштейн в одной точке по высоте руля; в) подвесные - полностью висящие на баллере.

Б. По положению оси баллера относительно пера руля (рис. 2.22): а) небалансирные - с осью баллера, размещенной в носовой части руля непосредственно в районе передней кромки пера; б) балансирные - с осью баллера, расположенной на некотором удалении от передней кромки пера руля.

В. По форме профиля руля: а) плоские; б) обтекаемые.

Рисунок 2.21 - Схема руля. 1 - перо руля; 2 - баллер; 3 - обвод ахтерштевня

Рисунок.2.22 - Классификация рулей

В настоящее время простые плоские рули применяются на несамоходных судах. Современные рули самоходных судов имеют обтекаемый профиль.

Простые рули применяются на транспортных судах, имеющих развитый кормовой дейдвуд. Полуподвесные и подвесные рули, как правило, бывают балансирными. Эти рули весьма широко используются на судах всех классов и назначений. Небалансирные подвесные или полуподвесные рули практически не применяются.

Разновидностью простых небалансирных рулей являются рули за рудерпостом, отличительная особенность которых заключается в том, что они имеют общий профиль с рудерпостом (в не переложенном положении). Таким образом, комплекс руль - рудерпост представляет собой разрезной руль, передняя часть которого (рудерпост) не перекладывается. Как правило, протяженность (хорда) рудерпоста составляет 0,10-0,25 хорды профиля всего комплекса.

На судне могут быть установлены один, два, три и больше рулей. Один руль размещается в ДП (за винтом у одновинтового судна), два руля, как правило, устанавливаются за гребными винтами двухвинтовых судов. Рули за рудерпостом применяются чаще всего на крупнотоннажных одновинтовых судах и всегда устанавливаются за гребным винтом.

Угол поворота рулей относительно ДП судна называется углом перекладки рулей. Под термином «перекладка» понимается процесс поворота руля из одного положения в другое. Максимальный угол перекладки обычных рулей составляет, как правило, 35°. Дальнейшая перекладка руля невыгодна, поскольку она приводит лишь к небольшому увеличению силы, действующей на руль, но одновременно ведет к резкому увеличению момента на баллере, что диктует необходимость утяжеления привода рулей и роста мощности рулевой машины.

Суммарная площадь рулей, необходимая для обеспечения управляемости, зависит от размеров и назначения судна, формы кормы, максимальной скорости хода и расположения руля относительно винта. Площадь руля реального судна должна выбираться с учетом как приведенных данных по коэффициенту К, так и результатов расчета управляемости либо данных модельных испытаний.

Рули повышенной эффективности. К рулям повышенной эффективности относятся рули с изменяемой геометрией профиля и роторные рули.

Рули с изменяемой геометрией профиля составляют большую группу конструктивных типов, отличительной чертой которых является наличие закрылка, предкрылка, щитков. Наибольшее распространение в этой группе получили рули за рудерпостом, представляющие собой рули с неподвижным предкрылком. Преимуществом этих рулей является удобство их размещения на ахтерштевне и высокая степень защищенности, чем и определяется их распространенность, так как поперечная сила рулей за рудерпостом меньше поперечной силы обычных рулей той же суммарной площади.

В группе рулей с закрылками выделяются рули Беккера, обладающие высокой эффективностью при относительно небольшом гидродинамическом моменте на баллере. Смысл конструкции рулей Беккера заключается в механизме совместного привода руля и его закрылка.

Роторный руль представляет собой поворотное перо, перед которым расположен цилиндр, способный вращаться вокруг собственной оси, соосной с осью поворота основного пера. Лобовая часть этого цилиндра и основное перо образуют общий крыловой профиль (рис. 2.23).

Рисунок 2.23 - Активизированный руль, а - с вращающимся ротором; б - с закрылком и вращающимся ротором

Вращение цилиндра может осуществляться различными способами: с помощью гидравлических двигателей, механических и гибких передач, электродвигателей, расположенных в самом теле руля или корпусе судна.

Направление вращения цилиндра зависит от знака угла перекладки пера руля, за исключением зоны углов ±10°, внутри которой цилиндр остается неподвижным.

Благодаря вращению цилиндра, расположенного в носовой части руля, обтекание основного пера при углах перекладки, больших 35-40°, происходит без срыва потока, как это бывает у рулей обычной конструкции. Вследствие этого роторные рули могут перекладываться на углы 70-80°, при этом эффективность рулей увеличивается пропорционально углу перекладки. Судно, на котором установлен роторный руль, может разворачиваться практически на месте. Это свойство роторных рулей особенно важно для обеспечения маневрирования на малых скоростях хода (при маневрировании в портах, при швартовных операциях и др.), когда обычные рули работают плохо. На ходовых режимах, при которых не требуются большие перекладки руля, эффект вращения цилиндра практически отсутствует. Цилиндр останавливают, и роторный руль работает как обычный.

Много перьевые рулевые комплексы (рис. 2.24) нашли широкое применение на современных крупнотоннажных и судах внутреннего плавания. Число существующих модификаций много перьевых систем рулей достаточно велико. Общим принципом построения всех таких систем является образование при больших углах перекладки рулей направляющих «каналов», обеспечивающих эффективный поворот струи движителя и значительную поперечную силу ДРК, сопоставимую с поперечной силой поворотных насадок.

Другим важным достоинством много перьевых систем рулей является значительная величина развиваемой ими при больших углах перекладки отрицательной, т.е. тормозящей судно продольной силы, способствующей уменьшению размеров акватории, необходимой для маневрирования судна.

Парные рули обычно поворачиваются синхронно на одинаковый угол, но больший поворачивающий эффект можно получить, если один из рулей в своем повороте отстает от другого на некоторый угол порядка 25°. Парные рули с отдельным приводом на каждом руле позволяют в широких пределах изменять направление струи от винта и даже давать судну задний ход.

Рисунок 2.24 - Многоперьевые рулевые комплексы

Еще более эффективным средством улучшения поворотливости судна является применение строенных рулей или трехбаллерного рулевого устройства с рулями большого удлинения. Их эффективность резко возрастает, если эти рули перекладываются на углы, превышающие в два и более раза предельный угол перекладки обычных рулей, практически перекрывают поток гребного винта и направляют его под углом к ДП, близким к 90°, создавая значительные боковую силу и поворачивающий судно момент.

Поворотные и синхронные поворотные направляющие насадки. Поворотная направляющая насадка на гребной винт представляет собой обычно кольцевое крыло, закрепленное на баллере и окружающее гребной винт. Кроме баллера, насадка может быть также шарнирно соединена со специальным кронштейном на корпусе судна. Насадка, прикрепленная только к баллеру, именуется подвесной. Если она опирается на кронштейн - полуподвесной (рис. 2.25). Основное назначение любой (в том числе и поворотной) насадки заключается в повышении КПД движительного комплекса.

Поворотная направляющая насадка на гребной винт в качестве органа управления судном по своему действию аналогична рулю. При перекладке насадки на ней возникает гидродинамическая сила, передающаяся на корпус и вызывающая поворот судна.

Рисунок 2.25 - Поворотная насадка: а - полуподвесная; б - подвесная

Если сопоставить боковую (подъемную) силу, возникающую при ходе судна на переложенной насадке и на размещенном в винтовой струе руле аналогичной формы в проекции на ДП судна, то на насадке эта сила оказывается примерно на 40 - 50 % большей. Преимущество насадки в этом отношении обусловлено тем, что перекладка насадки ведет к интенсивному отклонению потока, отбрасываемого винтом, и, как следствие, к значительному повороту вектора тяги комплекса винт - поворотная насадка. Этот поворот тем больше, чем меньше скорость хода и больше нагрузка винта, поэтому наибольшее отклонение вектора тяги наблюдается в швартовном режиме работы комплекса.

Важной характеристикой поворотной насадки является расположение оси баллера по длине насадки. Для осуществления поворота насадки необходимо, чтобы плоскость, в которой располагаются вершины лопастей гребного винта, совпадала с поперечной плоскостью, проходящей через ось баллера. Поскольку гребной винт всегда располагается в сечении с наименьшим внутренним диаметром, от положения оси баллера по длине насадки зависит форма профиля насадки.

Положение оси баллера по длине насадки в сильной степени влияет на гидродинамический момент на баллере насадки, который должен быть преодолен при ее перекладке. При переднем ходе момент на баллере оказывается минимальным в случае расположения оси баллера на 25-30% длины насадки от носовой кромки. С ростом отстояния оси баллера от носовой кромки момент на баллере резко возрастает. Если на двухвинтовом судне устанавливают раздельные поворотные насадки, ось баллера целесообразно размещать посредине длины насадки. При этом с целью уменьшения гидродинамического момента на баллере в хвостовой части насадки должен быть укреплен стабилизатор, чаще всего неподвижный относительно насадки.

Угол поворота насадки относительно ДП судна составляет, как правило, 30-35°. В непереложенном положении ось поворотной насадки чаще всего совпадает с осью винта.

На судне могут быть установлены одна или две поворотные насадки. Если на одновинтовом судне имеется одна насадка, то она в соответствии с приведенной классификацией всегда относится к группе рулевых устройств. Если же на двухвинтовом судне поворотных насадок две, то к группе рулевых устройств они будут относиться лишь в том случае, если конструкция привода обеспечивает синхронную (т.е. в одном направлении и на одинаковый угол) перекладку насадок. В том случае, когда привод допускает раздельную перекладку (т.е. каждая насадка может быть переложена на любой угол в любом направлении независимо от другой насадки), насадки называются раздельными, и тогда они относятся к группе главных движительно-рулевых устройств. Однако, даже и в последнем случае эти насадки при движении судна, на скоростях свыше 3-4 уз перекладываются совместно (либо перекладывается только одна насадка).

Известны многочисленные модификации поворотных насадок, преследующие цели увеличения поперечной силы насадки, в особенности при неработающем гребном винте, улучшения ее стабилизирующего действия, уменьшения момента на баллере. Наиболее характерные модификации: установка в диаметральной плоскости насадки стабилизатора большого размера, выступающего далеко вверх за пределы струи движителя (рис. 2.26, а); установка на насадке продольных ребер (рис. 2.26, б) с целью улучшения стабилизирующего действия ДРК и повышения управляемости судна при ходе судна по инерции; установка боковых цилиндрических стабилизаторов (рис. 2.26, в), представляющих собой частичное продолжение насадки с целью увеличения ее поперечной силы.

Рисунок 2.26 - Модификация поворотных насадок

Одним из наиболее результативных путей повышения эффективности поворотной насадки как средства управления судном является установка на ней поворотного стабилизатора.

Неподвижную часть стабилизатора (рудерпост) устанавливают внутри насадки. Поворотную часть стабилизатора навешивают на рудерпост.

Привод поворотной части стабилизатора осуществляют по схеме, аналогичной схеме привода рулей Беккера, для чего на корпусе судна устанавливают штырь, входящий в паз направляющей стабилизатора. Положение штыря относительно баллера выбирают таким образом, чтобы при перекладке насадки на максимальный угол 30° угол перекладки стабилизатора составлял 60°. Кинематическая схема поворотной насадки с поворотным стабилизатором изображена на рис. 2.27, а ее геометрические характеристики показаны на рис. 2.28.

Рисунок 2.27 -Кинематическая схема поворотной насадки с поворотным стабилизатором

- поворотная насадка; 2 - рудерпост; 3 - поворотный стабилизатор; 4 - направляющая; 5 - штырь на корпусе

Рисунок 2.28 - Геометрические характеристики поворотной насадки с поворотным стабилизатором.

- поворотная насадка; 2 - рудерпост; 3 - поворотный стабилизатор; 1 - ось стабилизатора; 11 - ось штыря; 111 - ось баллера

Главные движительно-рулевые устройства

Главные движительно-рулевые устройства (ГДРУ), в отличие от рулевых устройств (РУ), обеспечивают управляемость судна не только при наличии скорости хода, но и без нее. К рабочим органам ГДРУ относятся любые главные движители и насадки к ним, способные менять направление тяги в широких пределах. На средних и больших скоростях хода боковая сила этих устройств меняется пропорционально квадрату скорости, однако при уменьшении скорости хода боковая сила падает не до нуля, а до некоторого определенного значения, различного для разных устройств. В случае если судно оборудовано ГДРУ, рулевое устройство на нем может отсутствовать. Аналогично РУ действие ГДРУ сопряжено с работой главных двигателей. К ГДРУ относятся парусные движители, фланкирующие рули, гребные винты, работающие в противоположные стороны, П-образные поворотные насадки, раздельные поворотные насадки, неподвижные несоосные насадки, поворотные винтовые колонки и крыльчатые движители.

Парусные движители. Парусные движители предназначены для преобразования энергии ветра в работу полезной тяги судна, а также для придания судну нужного направления движения. Парус представляет собой полотнище из льняной, хлопчатобумажной или синтетической ткани, укрепленное на деталях рангоута, которое ставится поперек судна (прямой парус) или вдоль него (косой парус). К парусам также относятся аэродинамически эквивалентные им жесткие оболочки (парус-крыло). Совокупность парусов, рангоута, такелажа, палубных механизмов и дельных вещей, предназначенных для постановки, уборки и управления парусами называется парусным вооружением.

Паруса и парусное вооружение появилось 5-6 тысяч лет назад в Египте и Месопотамии, несколько позже и независимо - в Китае, Восточной Азии, Океании и Южной Америке. В настоящее время существует довольно большое разнообразие в парусном вооружении, и парусные суда различают по числу мачт (от 1 до 7) и типу парусного вооружения.

Несмотря на сложность парусного вооружения и управления им, а также зависимость управляемости парусного судна от направления и силы ветра, рост цен на топливо и ужесточение требований к охране окружающей среды привели к разработке проектов и постройке ряда новых коммерческих парусно-моторных судов.

Фланкирующие рули. Фланкирующие рули (рис. 2.29) отличаются от много перьевых рулевых комплексов наличием рулей не только за, но и перед винтами, что улучшает управляемость судна при работе винтов на задний ход. Причем совместная перекладка всех рулей, размещенных перед винтами, происходит независимо от совместной перекладки рулей за винтами. Работа винтов «враздрай» при соответствующей перекладке рулей обеспечивает получение боковой силы желаемого направления. Фланкирующие рули применяются на речных и озерных буксирах-толкачах. Часто под термином «фланкирующие рули» понимают только рули, расположенные перед винтами.

Рисунок 2.29 - Фланкирующие рули

Гребные винты, работающие в противоположные стороны. На многовинтовых судах управление судном можно осуществлять работой одних лишь винтов в разные стороны (“враздрай”). Разворачивающий момент у многовинтового судна появляется за счет смещения гребных винтов от диаметральной плоскости. Благодаря наличию момента от винтов многовинтовые суда при использовании винтов “враздрай” и руля обладают повышенной управляемостью.

Результаты действия на судно вращающихся винтов и руля для двухвинтового судна показаны на рис. 2.30. Стрелкой показано направление смещения оконечностей судна (носа или кормы). Создаваемое гребным винтом разрежение среды под кормовым подзором облегчает смещение кормы в сторону, одноименную борту работающей машины. Кроме того, с момента начала работы гребного винта горизонтальная составляющая сил поддержания на его борту станет меньше по сравнению с противоположным бортом. В обоих случаях работы гребного винта со стороны одного борта судна появляется разворачивающий момент, который является главным фактором, определяющим маневренность (поворотливость) многовинтового судна.

Рис. 2.30 Результат действия на двухвинтовое судно винтов и руля при различных комбинациях их режимов работы

Трехвинтовые суда практически объединяют в себе маневренные свойства одно- и двухвинтовых судов. Благодаря наличию трех винтов судно может в широких пределах менять циркуляцию и даже разворачиваться на месте. Быстрый разворот трехвинтового судна получается, если средняя машина будет работать вперед, а бортовые машины - «враздрай» при руле, положенном на соответствующий повороту, борт.

При движении кормой, поскольку на заднем ходу судно плохо слушается руля, рекомендуется два режима работы:

) работать средней машиной на задний ход, а управлять судном при помощи бортовых машин;

) все время работать на задний ход бортовыми машинами;

при отклонении судна от заданного курса следует переложить руль в сторону уклонения кормы и дать ход вперед средней машиной.

П - образные поворотные насадки. Одним из новых вариантов ГДРУ, получающих в последние годы широкое распространение, является гребной винт в П - образной или Г-образной поворотных насадках, предложенных Г.И. Беззубовым. (рис. 2.31). Высокая технологичность изготовления, простота ремонта, возможность агрегатной замены, меньшая забиваемость битым льдом и другие эксплуатационные преимущества обусловили внедрение этого типа ДРК взамен обычных поворотных насадок.

Гребной винт в П-образной поворотной насадке отличается от гребного винта в обычной поворотной насадке как по своим пропульсивным качествам, так и по особенностям работы в качестве средства управления.

Рисунок 2.31 - Поворотная насадка

Отличительной чертой ДРК гребной винт - П- образная поворотная насадка является асимметрия его действия. В верхней части своего диска гребной винт комплекса работает в зоне скоростей, вызванных полукольцом насадки, т. е. в зоне повышенных скоростей протекания и соответственно меньших нагрузок на лопасть. В нижней части своего диска гребной винт работает в условиях, близких к условиям работы открытого гребного винта, и нагрузки на лопасть соответственно выше. Различие в тангенциальных составляющих сил, действующих на лопасти в верхней и нижней половинах диска гребного винта, создает на винте при не переложенной насадке поперечную силу, направление которой зависит от направления вращения гребного винта. На переднем ходу у гребных винтов правого вращения эта сила направлена вправо, у гребных винтов левого вращения - влево (при взгляде с кормы).

Образование поперечной силы на гребном винте вызывает реактивное отклонение его струи. Не переложенная насадка оказывается в зоне неравномерного косого обтекания, и на ней возникает поперечная сила, направленная в сторону, противоположную поперечной силе гребного винта.

Степень взаимной компенсации поперечных сил, развивающихся на гребном винте и насадке в этих условиях, зависит от конфигурации комплекса, т.е. от геометрических характеристик насадки и положения в ней гребного винта.

Испытания модели ДРК этого типа показали, что гидродинамические характеристики П- образной насадки в качестве средства управления линейны в широком диапазоне углов перекладки и дрейфа и несколько хуже, чем у обычной кольцевой.

Раздельные поворотные насадки

Раздельные поворотные насадки (РПН) на двухвинтовых судах при работе винтов «враздрай» развивают значительную боковую силу при отсутствии хода, т. е. обладают качествами, присущими САУ. При этом направление равнодействующей тяг комплексов и ее положение по длине судна зависят от того, как переложены насадки.

При перекладке обеих насадок внутрь (рис. 2.32, а) равнодействующая приложена в точке диаметральной плоскости за кормой судна, и последнее разворачивается на месте тем интенсивнее, чем больше углы перекладки насадок.

Когда обе насадки переложены наружу (рис. 2.32, б), равнодействующая перемещается в нос и в корму соответственно, судно не только дрейфует, но и поворачивается в сторону, зависящую от величины и направления упоров винтов. При некотором среднем угле перекладки точка приложения равнодействующей может совпасть с центром сопротивления воды при боковом движении судна. В этом случае оно дрейфует без вращения, т. е. движется лагом.

Рисунок 2.32 - Раздельная перекладка поворотных насадок

Итак, раздельная перекладка насадок при одновременном изменении величины упора винтов (за счет изменения числа оборотов двигателя) позволяет получить необходимую величину, точку приложения по длине судна и направление равнодействующей.

РПН установлены на многих судах, главным образом речного флота - буксирах-толкачах, сухогрузных и наливных судах. Испытания показывают высокую эффективность РПН, обеспечивающих судам повышенную маневренность.

Неподвижные несоосные насадки. Неподвижные несоосные насадки представляют собой средство управления, предложенное Г. Я. Першицем. В отличие от обычных неподвижных насадок, соосных с гребным винтом, эти насадки повернуты вокруг вертикальных осей задними кромками к ДП судна с таким расчетом, чтобы продолжения осей насадок пересекались на ДП за кормой судна (рис. 2.33).

Угол отворота насадок от осей гребных валов составляет около 4-8°. Поскольку при малых углах отворота насадки от линии вала, тяга комплекса винт - насадка практически совпадает с осью насадки. Равнодействующая тяг обоих комплексов приближенно располагается в точке пересечения осей насадок, а изменением частоты вращения винтов, в том числе винтов, работающих враздрай, направление равнодействующей может быть изменено на любой угол.

Рисунок 2.33 - Неподвижные несоосные насадки

Крыльчатые движители. Впервые крыльчатый движитель, получивший практическое применение, был предложен в 1926 г. австрийским инженером Шнейдером. Крыльчатый движитель (рис. 2.34.) - это устройство, использующееся не только для создания упора, но и для изменения его направления. Помимо этого, крыльчатый движитель позволяет регулировать его гидродинамические характеристики, т. е. сочетает в себе свойства движителя регулируемого шага и средства управления.

Рисунок 2.34 - Крыльчатый движитель

В настоящее время крыльчатые движители применяются на судах как в качестве основного движителя (буксиры, паромы, плавкраны, рыболовные суда), так и в виде вспомогательного средства управления (большие морские суда - пассажирские, танкеры и т. д.). В первом случае движитель располагается непосредственно под днищем судна, во втором - чаще всего в поперечном канале корпуса.

Конструктивно крыльчатый движитель представляет собой диск (ротор) с вертикальной осью вращения, установленный заподлицо с днищевой обшивкой (либо с платформой, если движитель расположен в поперечном канале). Диск несет на себе четыре-восемь поворотных вертикальных лопастей, размещенных на равном расстоянии друг от друга по окружности диска и представляющих собой профилированные крылья. При вращении движителя каждая лопасть совершает вращательное движение по отношению к диску и вместе с диском относительно воды. В воде находятся только лопасти, а механизмы вращения диска и поворота лопастей размещены внутри корпуса судна.

Рисунок 2.35 - Принцип действия КД

Для уяснения принципа действия КД рассмотрим рис. 2.35. Как видно из рисунка, при вращении диска лопасти поворачиваются так, что перпендикуляры, восстановленные из середины хорд лопастей, в любой момент времени пересекаются в одной точке N. Эта точка называется центром управления. Лопасть движется в воде подобно крылу со скоростью v, являющейся геометрической суммой окружной скорости и скорости поступательного вместе с судном перемещения диска. При движении лопасти под углом атаки на ней возникает сила, составляющая которой Р создает упор лопасти в направлении движения судна, а окружная составляющая Т образует момент относительно центра диска, преодолеваемый машиной. С помощью привода лопастей центр управления N может быть установлен в любой точке внутри окружности.

Перемещение точки N вдоль диаметра движителя изменяет величину упора, зависящую от длины отрезка ON. Направление упора перпендикулярно этому отрезку.

Регулируя величину упора, можно осуществить все режимы движения судна от «полного хода вперед» через «Стоп» до «Полного хода назад». Положение «Стоп» соответствует совмещению точки N с центром диска О. В этот момент упор лопастей равен нулю.

Перемещением точки N в стороны от диаметра меняется не только величина, но и направление упора, т. е. производится поворот судна. Скорость и направление вращения диска движителя при этом могут оставаться постоянными.

Управление судном при помощи КД показано на рис. 2.36. Суда, оборудованные крыльчатыми движителями, имеют ряд преимуществ перед винтовыми:

-  сочетание функций винта и руля, вследствие чего отпадает необходимость в рулевом устройстве;

-       возможность направления силы тяги в любую сторону;

-       некоторое повышение к. п. д. установки в сравнении с ВФШ;

-       возможность расположения буксировщика при буксировке лагом как в носовой, так и в кормовой оконечности судна, так как упор буксировщика на переднем и заднем ходу одинаков;

-       осуществление перемены хода без реверса двигателя;

-       возможность создания упора в направлении, перпендикулярном борту швартующегося судна при любом положении буксировщика.

Рисунок 2.36 - Управление судном с помощью КД а) - вперед; б) - стоп; в) назад; г) - поворот вправо; д) поворот влево.

Хорошие маневренные качества судов с КД позволяют особо выгодно использовать эти движители на буксировщиках.

Судно, имеющее КД, способно легко разворачиваться в любом направлении даже из положения «Стоп». Наличие двух КД позволяет судну двигаться лагом (со скоростью около 2 уз). Можно осуществлять плавное наращивание (практически от нуля) и гашение скорости. Это имеет значение при подходе к судам, причалам и т. д.

Путь торможения судна с КД обычно не превышает длины корпуса, так как выступающие лопасти движителя быстро гасят инерцию; существенно сокращается и время торможения. Буксировщик с КД затрачивает на прием буксира на ходу на 30-40% времени меньше, чем винтовой буксир, а при сильном ветре и течении время сокращается в 3-4 раза. При швартовке транспортных судов к причалу примерно в 5 раз сокращается время, необходимое для соответствующего маневрирования буксировщика.

Необходимо отметить и некоторые недостатки судов, оборудованных КД:

-  суда, имеющие КД в качестве основного движителя, для плавания в открытом море не приспособлены, так как на волнении несущий диск и лопасти будут подвергаться чрезмерным напряжениям;

-       для плавания во льду КД требует надежной конструктивной защиты;

-       сложность конструкции самих КД и относительно большая масса (10 кг на 1 л.с. и более) позволяет применять их лишь при небольших мощностях нереверсивного двигателя;

-  КД увеличивают фактическую осадку судна.

Вспомогательные устройства управления (ВУУ) характерны тем, что для их работы включения главных двигателей не требуется, поскольку ВСУ оборудованы собственными двигателями. Предназначены ВУУ для обеспечения управляемости судна только на предельно малых скоростях и без хода, и эффективность их, как правило, растет по мере уменьшения скорости хода. Судно, оборудованное ВУУ, должно иметь обычный руль или любое другое РУ. Иногда ВУУ устанавливаются на суда, снабженные ГДРУ.

Вспомогательные устройства управления по характеру своего воздействия на судно подразделяются на подруливающие устройства и вспомогательные движительно-рулевые устройства, изгибающие устройства и буксирные устройства.

Подруливающие устройства (ПУ) является одним из наиболее распространенных вспомогательных средств управления судном. Оно представляет собой автономную систему, независимую от главных двигателей, размещенную в корпусе судна. ПУ, кроме откидных винтовых колонок, создают поперечную силу (тягу ПУ) путем засасывания забортной воды и выбрасывания ее в поперечном по отношению к ДП судна направлении.

Подруливающее устройство предназначается для управления судном в условиях, в которых эффективность основных средств управления оказывается недостаточной. Подруливающее устройство должно обеспечивать маневрирование судна, не имеющего хода, при швартовных операциях, при отходе от стенки, при развороте в условиях ветра и течения, оно должно способствовать маневрированию судна на малых скоростях при самостоятельном движении на акваториях портов, при различных ограничениях фарватера, в узостях и т. п.

Носовые и кормовые подруливающие устройства. Общим конструктивным признаком этих ПУ является наличие поперечного канала в корпусе судна и встроенного в него импеллера или насоса.

Носовые ПУ (НПУ) и кормовые ПУ (КПУ) различают по месту расположения на судне. Для увеличения действующего на судно вращающего момента носовое ПУ размещают на возможно большем удалении от миделя (рис. 2.37).

Рисунок 2.37 - Установка кормового ПУ на судне: а) общий вид установки на судне с ВРШ; б) схема размещения каналов КПУ в обход валопровода: 1 - выше туннеля валопровода; 2 - ниже туннеля валопровода.

Кормовое ПУ устанавливают в дополнение к носовому для обеспечения судну движения лагом или других специальных маневров. Для увеличения вращающего момента кормовое ПУ также размещают возможно дальше от миделя.