Управление судном при плавании в штормовых условиях

3. Влияние на качку курса и скорости судна

Величинами, характеризующими качку являются угол наклонения судна (ампли­туда) и период, в течении которого судно совершает одно полное колебание. Колебания судна на тихой воде, возникающие под действием однократно приложенного к корпусу судна момента внешних сил, называются собственными или свободными.
Период сво­бодных колебаний при бортовой качке приближенно можно определить по следующей формуле:

где k - коэффициент, равный 0,81 для грузовых судов;

В - ширина судна;

h - поперечная метацентрическая высота.

 

Более точно период свободных колебаний можно определить с использованием информации капитану по остойчивости.

На взволнованной поверхности моря качка происходит под действием волн. Воз­мущающей силой является сила поддержания, направленная перпендикулярно поверх­ности волнового склона. Она вызывает колебания судна с частотой следования волн.
Такие колебания называются вынужденными. Амплитуда качки резко возрастает, когда отношение периодов свободных и вынужденных колебаний судна составляет 0,7 - 1,3 (явление резонанса). При отсутствии хода судна период вынужденных колебаний равен периоду волн.

При движении изменяется период прохождения волн относительно корпуса, т.е. изменяется период вынужденных колебаний судна, который становится равным кажу­щемуся периоду волн (t), учитывающему скорость судна (V) относительно направле­ния волн:

 

где λ –длина волны, V- скорость судна в узлах, q - курсовой угол волны.

 

Как видно из приведенной формулы, изменением курса и скорости судна можно изменять значения кажущегося периода волнения, т.е регулировать период вынужден­ных колебаний судна для недопущения явления резонанса.
Для упрощения задачи вы­бора курса и скорости в штормовых условиях созданы различные диаграммы качки. Наибольшее распространение получила универсальная диаграмма Ремеза, построен­ная на основе приведенной выше формулы для кажущегося периода волнения.

Диаграмма состоит из двух частей. В верхней ее части нанесены кажущиеся пе­риоды волн в виде семейства кривых. Пунктирная кривая соответствует случаю, когда t = ¥, т.е судно идет на попутном волнении и его скорость равна скорости распростра­нения волн.
Ниже пунктирной кривой расположены кривые, соответствующие слу­чаям, когда судно обгоняет волны. На вертикальной оси отложены длины волн l от 0 до 240 м. Отрезки горизонтальной оси влево и вправо от 0 соответствуют проекциям скорости судна на направление бега волн (V cos q ).
Для нахождения величины V cos q к основной диаграмме пристроена в нижней части вспомогательная диаграмма, кото­рая представляет собой семейство концентрических окружностей и радиальных ли­ний. Каждой окружности соответствует скорости судна V от 0 до 24 уз, а радиальным линиям - курсовые углы направления бега волн q от 0 до 180°.

Над диаграммой помещена шкала для определения кажущегося периода волны, соответствующего зоне резонанса 0,7 t< T < 1,3 t.

Слева от диаграммы помещены шкалы А и В для определения зон усиленной качки при нерегулярном волнении, а справа шкала баллов волнения, используемая в тех же случаях.

Вход в диаграмму возможен тремя путями:

при регулярном или близком к регу­лярному волнению - по длине волны (вертикальная ось);

при нерегулярном волнении - по высоте волн 3% обеспеченности (левая шкала) и степени волнения в баллах (правая шкала). Предварительно рассчитывается или определяется по информации капитана по остойчивости период свободных колебаний судна.

Длина волны определяется на глаз путем сравнения её с длиной судна. Кроме этого длину волны можно определить по кажущемуся периоду волн с использованием диаграммы качки. Кажущийся период волн определяется по прохождению гребней волн через визир пеленгатора.

Последовательность решения задачи:

в нижней части диаграммы находится точка, соответствующая скорости судна V и курсовому углу волн q;

из этой точки проводится вертикальная линия до пересечения с кривой соответст­вующей определенному кажущемуся периоду волн t;

ордината точки пересечения соответствует длине волны.

 

Высота волн 3% обеспеченности определяется следующим образом:

из наиболее низкой точки судна на глаз определяется высота трех наиболее круп­ных из ста волн;

высота меньшей из трех определенных волн принимается за высоту волн 3% обес­печенности.

 

Степень волнения в баллах (от 0 до 9 )определяется по высоте волны (Мореходные таблицы. Таблица 50-а. Шкала степени волнения) или по признакам для определения состояния поверхности моря (Мореходные таблицы. Таблица 50-б. Шкала состояния поверхности моря).

Рассмотрим примеры использования диаграммы Ремеза для определения зон уси­ленной бортовой качки:

Пример 1. Определить зону усиленной бортовой качки судна, скорость которого V=12уз, курсовой угол волны q=110°.

1. Рассчитываем или находим из судовой информации об остойчивости период сво­бодных колебаний судна: Т=12с.

2. Определяем кажущийся период волн: t= 6,5с.

3. Определяем длину волны по диаграмме: l = 40 м.

4. Используя верхние шкалы определяем кажущиеся периоды волн, соответствую­щие границам зоны усиленной качки: t =9c, t =17c.

5. Находим точки пересечения кривых t =9c, t =12c, t =17c с горизонтальной ли­нией, проходящей через отметку l=40м и через них проводим вертикальные линии. Образованные этими линиями полосы, выделенные на нижней части диаграммы, являются зонами усиленной качки.

 

 

Пример 2. Определить зону усиленной бортовой качки с использованием высоты волны 3% обеспеченности равной 4,5 м. Период свободных колебаний судна Т=16 с.

Используя верхние шкалы определяем кажущиеся периоды волн, соответствую­щие границам зоны усиленной качки: t =12c, t = 23c.

Находим точки пересечения кривых t =12c, t =16c, t =23c с горизонтальными ли­ниями, проведенными через отметки 4,5 м на шкалах А и В слева от диаграммы, и через них проводим вертикальные линии. Образованные этими линиями полосы, выде­ленные на нижней части диаграммы являются зонами усиленной качки. Более темным полосам соответствуют зоны более сильной качки.

 

Пример 3. Определить зоны усиленной бортовой качки по степени волнения.

Решение задачи аналогично предыдущему примеру, только горизонтальные ли­нии проводятся через концы отрезков, обозначающих баллы волнения справа от диаграммы.

 

4. Рекомендации по управлению судном при плавании в штормовых усло­виях

При сильном встречном волнении необходимо снизить скорость судна для избе­жания слеминга, заливания палуб, неравномерности в работе двигателя.

Поворот на новый курс проводится после специальной подготовки, поскольку при его выполнении, когда судно окажется лагом к волне, возможно резкое, близкое к резонансному усиление качки. При подготовке к повороту необходимо определить на­правление ветра и волнения, реакцию судна на ветер, характер волнения (средний пе­риод и длина волн, периодичность наиболее крупных волн). С использованием универ­сальной диаграммы качки определяются диапазоны курсов и скоростей, при который наблюдается усиленная качка.

 

Бортовая качка на круизном лайнере

lightbox[600 400]Бортовая качка на круизном лайнере

 

При встречном волнении судно приводят против ветра и уменьшают ход до минимально возможного. Поворот начинают, переложив руль на борт и дав полный ход, в момент, когда корма окажется на обратном склоне последней из серии наиболее крупных волн.

Изменение курса с попутного или на попутный к волне следует выполнять таким образом, чтобы в интервале курсовых углов волнения 180 - 45° поворот осущест­влялся плавно. Скорость выбирают таким образом, чтобы после поворота судно не ока­залось в резонансной зоне и она не была равна скорости распространения волн.

На нерегулярном волнении поворот выполняют с таким расчетом, чтобы судно проходило лагом к волне с максимальной скоростью поворота в период, когда волны меньше по высоте.

* Следует проявлять особую осторожность при плавании в штормовую погоду, ко­гда длина волны примерно равна длине судна. В этом случае при встречном волне­нии наблюдаются резкие изменения нагрузки на корпус, что может вызвать его повре­ждения. Для предупреждения чрезмерных нагрузок может потребоваться уменьшение скорости хода и изменение курсового угла волнения.

На попутном волнении может возникнуть угроза потери остойчивости и опро­кидывания судна, особенно когда скорость волны близка к скорости судна. Известна формула для расчета метацентрической высоты (h):

h = r + Zc - Zg ,

где r - метацентрический радиус, Zc, Zg - отстояние от киля центра величины и центра тяжести.

 

Отстояние от киля центра величины и центра тяжести

 

Когда судно находится на гребне волны, величина Zg не изменяется; величина Zс несколько увеличивается, а метацентрический радиус значительно уменьшается, т.к. он находится в зависимости от площади действующей ватерлинии (выделенный на ри­сунке участок).
В особо неблагоприятных случаях метацентрическая высота уменьша­ется вплоть до отрицательных значений и судно теряет начальную остойчивость, а его крен достигает значительной величины. Внешними признаками ситуации, при которой возможно опрокидывание, являются быстрое нарастание крена на гребне волны, глубо­кие зарыскивания судна и его слабая реакция на перекладку руля. При появлении этих признаков в качестве первой меры предосторожности необходимо экстренно снижать скорость.

Возникновению аварийной ситуации обычно предшествует одно из следующих трех явлений или их комбинация:

Значительное изменение или потеря поперечной остойчивости при прохождении вершины волны вблизи миделя судна. Это особенно опасно, когда длина и скорость волны приблизительно равны соответственно длине и скорости судна.

Основной или параметрический резонансы бортовой качки, когда соответственно или.

Захват волной, потеря управляемости и самопроизвольный неуправляемый разворот судна лагом к волне – брочинг. Наиболее опасным в этом отношении является захват на переднем склоне волны, имеющей скорость волны больше скорости судна и длину, равную 0.8 1.3 длины судна.

5. Способы штормования судна

В тех случаях, когда продолжение рейса в штормовых условиях становится опас­ным для людей и судна, применяется один из следующих основных способов штормо­вания:

Способ штормования на носовых курсовых углах. Судно удерживается но­сом против волны. Выбор скорости осуществляется из условия минимальной заливае­мости и минимального количества ударов волн в носовую оконечность: обычно это минимально необходимая для сохранения управляемости скорость. Если судно доста­точно хорошо управляется и бортовая качка не слишком интенсивная, то можно дви­гаться под некоторым углом к волнению.
Крупнотоннажным судам даже рекоменду­ется для уменьшения изгибающих моментов на корпусе штормование на курсовых уг­лах волнения 35 - 45°. Указанный способ рекомендуется для большинства судов.

Способ штормования на кормовых курсовых углах. Судно ложится на курс прямо по волне или под небольшим углом к ней. Способ применяется при достаточной остойчивости судна, когда длина волны больше или меньше длины судна, а скорость судна не равна скорости распространения волн. При таком способе штормования уве­личиваются периоды качки, судно не испытывает ударов волн, на палубу попадает меньше воды.
Однако на попутном волнении возрастает рыскливость судна, оно хуже слушается руля и попытки удержать судно точно на курсе обычно бесполезны и приво­дят к усиленной работе рулевой машины.

6. Крепление палубных грузов

При плавании судна в шторм большое значение для обеспечения сохранности грузов и безопасности судна и людей имеет крепление груза, особенно палубного, по­скольку на него штормовые условия оказывают наибольшее влияние. Поэтому в порту погрузки необходимо произвести расчеты по креплению грузов, ориентируясь на самые худшие гидрометеорологические условия плавания судна в предстоящем рейсе.

Силы, действующие на палубный груз при бортовой и вертикальной качке.

Силы инерции и тяжести по оси Y - смещают груз и создают опрокидывающий момент:

где: m - масса груза, Qмах - максимальный угол крена, hв - максимальная высота волн, То - период бортовой качки, Z - аппликата центра тяжести груза, g - ускорение свободного падения.

Силы инерции и тяжести по оси Z - нагружает палубу и обеспечивает устойчи­вость груза:

где:Y - ордината центра тяжести груза.

 

 

Силы, действующие на палубный груз при килевой и вертикальной качке.

Силы инерции и тяжести по оси X - смещают груз и создают опрокидывающий момент:

 

Силы инерции и тяжести по оси Z - нагружает палубу и обеспечивает устойчи­вость груза:

 

где: Х - абсцисса центра тяжести груза.

 

 

Динамическое давление ветра на палубный груз:

 

Усилия, возникающие в найтовах при бортовой качке (Fн).

Под действием опрокидывающих моментов:

Составляем уравнение моментов относительно точки N:

 

Подставляя в первое третье и второе уравнения, получим:

Коэффициент f принимается равным: 0,15 (сталь-сталь); 0,5 (сталь -дерево)

Откуда находим:

 

Из полученных значений Fн выбирается большее, которое и принимается за уси­лие, возникающее в найтовах при бортовой качке.

 

Усилия, возникающие в найтовах при килевой качке.

Учитывая небольшую, по сравнению с бортовой, амплитуду килевой качки, урав­нения опрокидывающих моментов можно не составлять.

Составляется только уравнения сил, смещающих груз аналогично бортовой качке, откуда определяется усилие, возникающее в найтовах:

 

где b - угол между продольным найтовом и палубой.

 

Расчет крепления груза.

Поперечные и продольные найтовы для крепления груза выбираются в соответст­вии с ГОСТ 7679-69 по разрывному усилию Fраз, которое определяется:

Fраз = Fн k,

где k - коэффициент запаса прочности.

Для крепления палубного груза: k=3; груза в трюмах - k = 2,5.

Если для крепления используется несколько найтовов (n), то они выбираются по Fраз = Fн k / n.

Дополнительная нагрузка на палубу при обтяжке найтовов принимается равной 10-12% от суммарного разрывного усилия всех найтовов.

 

 

 

 

 

Схема расположения найтовов может быть представлена в виде: