Как найти коэффициент полноты водоизмещения судна

Главная / Издания / Литература / Книжная полка / К.Н. Чайников. Общее устройство судов

Кроме приведенных ранее общих сведений о форме обводов диаметральной плоскости, конструктивной ватерлинии и мидель-шпангоута, для более полной характеристики формы судовых корпусов и представления о зависящих от нее мореходных и эксплуатационных качествах судов необходимо знать следующие числовые соотношения главных размерений судна:

1) отношение L/B, влияющее на ходкость судна;

2) отношение В/Г, влияющее на остойчивость судна, его ходкость и качку. Увеличение относительной ширины улучшает остойчивость судна, но качка при этом становится более резкой и сопротивление воды движению судна возрастает;

3) отношение Н/Т, влияющее на непотопляемость судна. Увеличение относительной высоты борта улучшает непотопляемость судна;

4) отношение L/Т, влияющее на поворотливость судна. Увеличение относительной длины судна ухудшает его поворотливость;

5) отношение L/Н, связанное с характеристикой общей продольной прочности судна (по Правилам Регистра СССР L/H должно быть в пределах от 9 до 14).

Наконец, судить о форме подводной части корпуса судна позволяют безразмерные коэффициенты полноты, полученные путем сравнения основных площадей и объемов корпуса с соответствующими площадями и объемами простейших геометрических фигур и тел, построенных на его главных размерениях.

Такими основными коэффициентами полноты подводной части корпуса судна являются:

а) коэффициент полноты конструктивной (грузовой) ватерлинии а — отношение площади ватерлинии 5 к площади описанного прямоугольника, построенного по расчетной длине L и ширине корпуса В (рис. 8, а)

б) коэффициент полноты мидель-шпангоута в —отношение площади погруженной части мидель-шпангоута w к площади описанного прямоугольника, построенного по расчетной ширине В и осадке корпуса Т (рис. 8, б)

Рис. 8. Коэффициенты полноты подводной части корпуса судна: а — ватерлинии; б — мидель-шпангоута; в — водоизмещения.

в) коэффициент полноты водоизмещения В — отношение объема подводной части корпуса V к объему описанного параллелепипеда, построенного на расчетной длине L, ширине В и осадке корпуса Т (рис. 8, в) Кроме трех приведенных основных и независимых коэффициентов а В и б, применяют два коэффициента ф и y), являющихся производными от первых и связанных с ними следующими соотношениями:

г) коэффициент продольной полноты ф — отношение объема подводной части судна V к объему призмы с основанием, равным площади погруженной части мидель-шпагноута w, и высотой, равной длине корпуса L,

Подставляя вместо о и V их значения, после упрощения получим зависимость этого коэффициента общей полноты и полноты мидель-шпангоута Коэффициент ф выражает распределение по длине корпуса объема его погруженной части, оказывающего влияние на сопротивление воды движению судна;

д) коэффициент вертикальной полноты y — отношение объема подводной части корпуса V к объему призмы, основание которой равно площади конструктивной (грузовой) ватерлинии судна S, а высота— осадке корпуса Т

подставляя вместо S и V их значение и произведя упрощение, получим зависимость y от 8 и а Значение всех этих отношений и коэффициентов позволяет установить закономерность влияния формы корпуса на качество судна и использовать их при проектировании новых судов.

Для каждого основного типа судна, на основании долголетней практики судостроения, выработались оптимальные величины этих показателей.

Вперед Оглавление Назад

Коэффициенты полноты, форма корпуса и мореходные качества буксиров

Коэффициенты полноты — численные показатели, характеризующие полноту обводов судна. Баланс ходового времени буксирных судов складывается из свободного хода без состава, движения с порожними и с груже­ными составами. Каждому режиму движения соответствуют достаточно опреде­ленные относительные скорости:

• 0,29—0,36 для свободного хода;
• 0,22—0,26 — при движении с порожними составами и 0,14—0,19 — с гружеными.

При столь широком диапазоне значений относитель­ных скоростей, а также движении на различных глубинах, вклю­чая мелководье для речных судов и волнение — для морских, корпуса буксирных судов должны иметь достаточно низкие значе­ния коэффициентов полноты и соответствующую форму.

Выбирая коэффициенты полноты и форму корпуса, необходимо обеспечить соответствие их району плавания и назначению буксир­ного судна, а также учесть специфические особенности его работы.

От правильного выбора формы контура главной палубы зависит удобство и безопасность работы буксиров и обслуживаемых ими судов. Учитывается удобство размещения якорного, отбойного, швартовного, буксирного и сцепного устройствСцепные устройства буксирных судов, крепления упоров для толкания, а также необходимость снижения строительной стои­мости, зависящей от технологичности обводов.

Значения коэффициентов полноты корпуса у буксирных судов изменяются в значительном диапазоне. Так, коэффициент общей полноты, как это следует из табл. 1, равен 0,46—0,60 у морских буксиров и 0,45—0,69 у толкачей и буксиров внутреннего плавания.

Табл. 1 Основные характеристики формы корпуса буксиров и толкачей
Тип судна	Предельные значения коэффициентов
δ	α	β	φ
Морские многоцелевые буксиры неограниченного плавания	0,46-0,58	0,70-0,78	0,80-0,88	0,52-0,66
Морские буксиры прибрежного плавания	0,50-0,60	0,70-0,80	0,84-0,90	0,55-0,70
Портовые буксиры >> буксиры-кантовщики	0,52-0,60 0,50-0,60	0,75-0,85 0,76-0,90	0,84-0,94 0,85-0,94	0,55-0,72 0,53-0,70
Толкачи линейные класса <<�О>>	0,55-0,65	0,78-0,88	0,99-0,995	0,55-0,66
Толкачи-буксиры линейные классов <<�О>> и <<�Р>>	0,51-0,65	0,77-0,90	0,89-0,995	0,56-0,72
Толкачи-буксиры рейдовые	0,54-0,60	0,86-0,90	0,85-0,90	0,95-0,70
Толкачи-буксиры <<�М>> >> >> <<�О>>	0,56-0,65 0,45-0,65	0,73-0,82 0,78-0,84	0,70-0,90 0,84-0,99	0,59-0,68 0,55-0,66
Буксиры классов <<�Р>> и <<�Л>>	0,58-0,69	0,79-0,83	0,93-1,0	0,61-0,69

Для выбора коэффициента общей полноты имеется ряд формул. Формула Александера

δ = 1 , 08 – 1 , 68 F r Ф о р м . 1

применима к океанским и морским буксирам неограниченного и прибрежного плавания, а также портовым буксирам, имеющим от­носительные скорости Fr = 0,36—0,30. Для речных линейных тол­качей и буксиров класса «О» первый член в формуле рекомендуется принимать равным 1,13, а для классов «Р» и «Л» — 1,15—1,17. Формула Колдвелла

δ = 0 , 20 + 0 , 1066 – 1 F r Ф о р м . 2

дает при Fr = 0,36—0,30 более низкие значения δ, чем получаемые по формуле Александера; применима для океанских и морских линейных буксиров. Получаемые значения δ хорошо согласуются с рекомендациями — δ = 0,474÷0,54 и δ =0,45÷0,55. Для речных линейных толкачей и буксиров класса «О» первый член в формуле рекомендуется принимать равным 0,3, а для классов «Р» и «Л» — 0,33—0,35.

В некоторых случаях удобно пользоваться формулой Алексан­дера, представленной в виде

δ = 1 – k υ L , Ф о р м . 3

• где k — численный коэффициент.

Для океанских и морских букси­ров k = 0,24;

• для буксиров класса «М» k = 0,20÷0,24;
• для буксиров морских и речных рейдовых и шлюзовых k = 0,17÷0,23;
• для толкачей и буксиров класса «О» k = 0,17÷0,20 и для толкачей и буксиров классов «Р» и «Л» k = 0,15÷0,20;
• υ — скорость свободного хода, уз.

Коэффициент полноты площади мидель-шпангоута β (см. табл. 1) составляет 0,80—0,88 у морских; 0,84—0,94 у линей­ных толкачей и буксиров и 0,93—1,00 у речных рейдовых и малых линейных буксиров и толкачей классов «Р» и «Л».

Зарубежные авторы рекомендуют для морских буксиров β = 0,754-0,85.

Коэффициент полноты пло­щади ватерлинии буксирных судов α имеет достаточно высокие значения за счет ее полноты в кормовой части и, как видно из табл. 1, изменяется в пределах 0,70—0,80 для морских и 0,77— 0,95 для речных толкачей и буксиров.

Призматический коэффициент φ = δ/β, характеризующий про­дольную полноту, для морских линейных и многоцелевых буксиров (особенно имеющих аварийно-спасательное оборудование) целесо­образно для уменьшения сопротивления принимать по возмож­ности малым. В работах рекомендуется значение φ = 0,58—0,60. Уменьшение φ приводит к увеличению площади ми­дель-шпангоута, но дает возможность заострить оконечности. За­висимость φ от числа Фруда показана на рис. 1.

В соответствии с назначением и районом плавания буксирных судов применяются обводы различных типов.

На рис. 2—9 представлен ряд теоретических чертежей наибо­лее типичных буксирных судов морского и внутреннего плавания.

Кроме обводов лекального типа, когда форма шпангоутов око­нечностей образуется плавными кривыми или сочетанием линий различной кривизны с прямыми, применяются и упрощенные формы корпусаЭлементы конструкции корпуса судна , выполняемые обычно двух и реже односкульными (см. рис. 8). По­следние используются только для малых речных судов. Применение упрощенных обводов обусловлено желанием снизить строительную стоимость кор­пуса за счет исключения кри­волинейного набора и листов обшивки с двойной погибью. Корпуса с упрощенными двухскульными обводами могут об­ладать высокими гидромеха­ническими качествами. Основ­ным условием для этого при проектировании должен быть выбор положения скул по ли­нии тока воды, обтекающей корпус. Наивыгоднейшее поло­жение скул определяется на моделях в опытовом бассейне. Из опыта проектирования су­дов известно, что сопротивле­ние корпусов с упрощенными обводами получается мень­шим, чем корпусов с лекаль­ными образованиями при оди­наковых коэффициентах общей полноты.

К разновидности упрощен­ных обводов относятся гидро­конические обводы, нашедшие применение в зарубежном буксиростроении. Гидрокониче­ская форма обводов дает воз­можность составить криволи­нейные поверхности корпуса из листов конической или ци­линдрической формы, не имею­щих двойной погиби. Это, как свидетельствуют зарубежные источники, позволяет, не повы­шая сопротивления корпуса, изготовлять листы обшивки на гибочных вальцах.

В отечественной практике для образования формы кор­пуса разработаны и находят применение разверты­вающиеся поверхности, дающие возможность ма­тематически представить поверхность наружной обшивки корпуса. Значительная теоретическая работа проделана в этой области в Новосибир­ском институте инжене­ров водного транспорта.

Форма мидель-шпангоута характеризуется наличием килеватости днища, типичной для мор­ских и озерных буксиров, или плоским днищем, ха­рактерным для речных буксиров и толкачей, а также величиной радиуса закругления скулы.

Величина килеватости k = ΔH/0,5, начиная с не­большой, достигает 0,25 и более. Радиус скулы у морских буксиров сос­тавляет 0,8—1,5 м, а у речных — до 0,8 м.

Для морских линей­ных и многоцелевых бук­сиров рекомендуется пре­дусматривать небольшой развал шпангоутов в средней части с целью увеличения плеча стати­ческой остойчивости на больших углах крена. Дело в том, что при дви­жении судна на попутном волнении возможны опас­ное уменьшение и даже потеря остойчивости, ко­гда судно попадает своей средней частью на вер­шину волны. В. В. Семенов – Тян-Шанский устано­вил, что такое положение судна наблюдается при числах Фруда 0,28 и выше, т. е. в диапазоне, специфичном для свобод­ного хода морских букси­ров.

Носовая оконечность характеризуется типом и углами наклона шпангоу­тов, форштевня и углом входа конструктивной ва­терлинии.

Для носовых оконеч­ностей буксирных судов применяются шпангоуты чаще V – и реже U-образного типов. Применение V образных шпангоутов способствует уменьшению или исключению слеминга, лучшей всхожести на волну и меньшей заливаемости палубы. С той же целью на океанских и со­временных морских бук­сирах часто предусматри­вается удлиненный бак.

Угол наклона теорети­ческого шпангоута № 2 (дающего достаточно пол­ное представление о типе носовых шпангоутов) и величина его развала при палубе выбирается с уче­том всхожести на волну и уменьшения заливаемости палубы для морских и озерных буксиров и кон­структивной необходимо­сти в широкой палубе для толкачей-буксиров, имею­щих носовые упоры.

Предлагается к прочтению: Тяговые характеристики буксиров и буксиров-толкачей

Носовая оконечность буксиров, выполняющих функции ледоколов, ле­докольного типа с углом наклона форштевня в под­водной части, равным 27—35°. От величины под­реза носового дейдвуда зависит устойчивость буксира на курсе: чем меньше подрез, тем выше устойчивость, но ниже поворотливость. Поэтому у морских буксиров, для которых устойчивость на курсе — весьма важное качество, подрез носового дейдвуда делается минимальным.

У морских портовых буксиров иногда предусматривается строи­тельный дифферент на корму — это улучшает поворотливость и обеспечивает более глубокое погружение движителей, дает возмож­ность выбрать оптимальный диаметр винта.

Подрез носового дейдвуда у толкачей-буксиров может быть несколько большим, а для толкачей, всегда следующих за соста­вом, рекомендуется большой подрез, способствующий улучшению поворотливости толкача с составом. Это естественно получается при обводах ложкообразного и санного типа.

Угол входа конструктивной ватерлинии зависит от выбранного типа обводов и коэффициента полноты водоизмещенияСоставляющие водоизмещения и положение центра тяжести.

Форма кормовой оконечности в первую очередь зависит от числа гребных валов буксира или толкача и типа движителя.

У одновальных винтовых судов кормовая оконечность может иметь шпангоуты V – и U-образной формы. При U-образных шпан­гоутах достигается лучшее взаимодействие корпуса и движителя за счет значительно меньшей неравномерности поля скоростей у диска винта. Однако при V-образных шпангоутах возможно меньшее сопротивление корпуса. Если-же учесть, что при частоте вращения гребных винтов, характерной для современных дизель­ных буксиров (275—375 об/мин), выигрыш в пропульсивных каче­ствах от применения U-образных шпангоутов уменьшается, то бо­лее целесообразно применять для кормы одновинтовых и тем более двухвинтовых судов V-образные шпангоуты.

Форма кормы морских буксиров часто принимается крейсер­ского типа; это способствует снижению сопротивления на 5—10%, но увеличение длины конструктивной ватерлинии иногда обуслов­ливает уменьшение диаметра винта ниже оптимального. Кормо­вой подзор, защищая винт и руль, дает возможность получить не­обходимую площадь палубы для размещения судовых устройств и их обслуживания.

Кормовые оконечности двухвальных речных судов обычно вы­полняются полутуннельного типа. Эта форма прошла длительный путь развития, начиная от глубоких туннелей (считалось, что один винт должен быть отделен от другого для исключения возможного взаимного отрицательного влияния) и кончая обводами простей­шего санного типа.

В случае применения поворотных направляющих насадок греб­ных винтов значительная килеватость снижает их эффективность, как рулевого органа, при перекладке насадок к бортам. Одна из насадок, находясь «в тени» киля, подсасывает из-под него возму­щенный со срывами поток, снижающий тягу насадки.

На самоходной модели толкача с обводами кормы, близкими к приведенным на рис. 7, были замерены рулевые силы каждой из насадок.

Установлено, что тяга насадки, получающей воду со стороны борта, больше, чем насадки, засасывающей воду из-под киля, на швартовах в среднем на 46% и на ходу на 50—60%. Аналогичная картина наблюдалась и во время работы на задний ход.

При проектировании у толкачей формы кормовой оконечности полутуннельного типа, наряду с выбором гребных винтов, имеющих оптимальный для заданной мощности диаметр, необходимо:

• а) обеспечить достаточно свободное подтекание воды к вин­там из-под днища и с бортов (на судах, предназначенных для ра­боты на мелководье, в основном с бортов);
• б) предусмотреть плавный сбег потока воды с кормовой части свода полутуннеля;
• в) исключить подсос воздуха на переднем и заднем ходу при всех рабочих осадках судна и на волнении, для чего бортовые свесы полутуннелей у толкачей и буксиров класса «О» должны быть ниже, чем у судов класса «Р»;
• г) при установке в качестве рулевого органа рулей перед­него и заднего хода или поворотных направляющих насадок обеспечить подток воды к ним и с противоположного борта; для этого килеватость корпуса не должна быть явно выраженной, а у трех и четырехвинтовых судов в ней вообще нет необходимости;
• д) учесть, что кормовая оконечность двухвинтовых теплоходов в плане не должна иметь плоского транца, сопрягаемого с бор­тами под прямым углом, а должна быть образована по параболе или из частей окружности. Это требование объясняется необходи­мостью предотвратить повреждения собственного корпуса и других судов, когда буксирным судам приходится работать в стесненных условиях портов, выполняя маневры между стоящими судами. При работе буксирных судов в битом льду плоский транец оказывается препятствием для движения задним ходом. У трех и четырех­винтовых толкачей вследствие их большой ширины транцевой кормы не избежать. В этом случае сопряжение борта с транцем (в плане) необходимо выполнить по кривой с максимально воз­можным радиусом.

Примером удачного решения кормовой оконечности для ра­боты в битом льду является корма двухвальных буксиров типа БОР-450, у которых борта сходятся при ДП под углом около 90°. Однако при таком решении несколько увеличивается линия судна.

Предлагается к прочтению: Архитектура буксирного судна, морского и речного плавания

В связи с необходимостью удовлетворения приведенным тре­бованиям и выбора гребных винтов максимально возможного диаметра кормовые оконечности толкачей нередко обладают малой плавучестью.

Поэтому, проектируя кормовую оконечность, следует придавать корпусу необходимую прочность. С этой целью делается килева­тость или повышается борт в районе кормового подзора, что пред­почтительнее.

Достаточно высокие пропульсивные качества судна могут быть получены при следующих значениях элементов кормовой оконеч­ности, показанной на рис. 9:

l 1 L = 0 , 33 ÷ 0 , 45 ; l 2 L = 0 , 10 ÷ 0 , 12 ;

l 1 h T = 6 ÷ 7 ; ∆ 1 T = 0 , 1 ÷ 0 , 2 ;

∆ 2 T = 0 , 05 ÷ 0 , 07 ; ε = 12 ÷ 15 ° .

Величины Δ1 и Δ2 зависят от мощности судна; чем выше мощ­ность, тем они больше. Однако величина Δ2/Т не должна превышать 0,1 при осадке, наименьшей из рабочих. В табл. 2 при­ведены значения указанных характеристик у ряда зарубежных толкачей и буксиров. Там же приведены относительные значения расстояния между гребными валами bВ/В для двухвинтовых тол­качей.

Табл. 2 Величины элементов кормовой оконечности полутуннельного типа зарубежных толкачей и буксиров
Наименование судна	Мощность N, л. с.	Длина L, м	Осадка Т, м	Диаметр гребного винта Dв, м	Относительная длина кормового подзора	Относительная длина передней части подзора l – l 2 h T	Относительное расстояние между валами bв/B
l1 L	l1/hT
Супериор	3 200	39,6	2,44	2,29	0,42	6,2	4,9	0,47
Маннесман II	1 800	36,1	1,70	1,90	0,35	6,1	4,2	0,48
Ф. Х. II	1 800	30,6	1,45	1,80	0,39	6,2	4,4	0,51
Браунколь	1 700	27,0	1,40	1,60	0,34	6,8	4,6	0,61
Б. П. Пари	1 700	21,5	2,50	1,90	0,48	4,8	5,5	–
Вулкан	1 500	38,1	1,80	1,95	0,36	6,2	4,5	0,50
Вассербуффель	1 260	36,0	1,85	1,80	0,45	6,3	4,6	0,50
Нашорн	1 260	36,0	1,65	1,75	0,45	7,8	5,5	0,50
Делиград	1 240	34,2	1,60	1,53	0,34	7,2	4,5	0,45
Цитерна 84	1 200	22,6	1,95	1,88	0,45	4,9	3,7	0,51
Конейбург	1 050	43,5	1,25	1,35	0,40	12,0	10,0	0,40
Франкфурт	930	18,3	1,40	1,50	0,51	5,1	4,5	0,50
Мец	940	18,0	1,65	1,55	0,47	5,0	3,9	0,50
Оттер	920	25,6	1,60	1,50	0,48	7,1	5,1	0,50
Бибер	750	22,0	1,60	1,50	0,49	6,6	4,8	0,52
–	600	20,0	1,10	1,20	0,34	5,1	3,3	0,55
Голимарт	340	10,0	1,35	0,90	0,50	4,7	4,0	0,53

Форма корпуса буксирных судов с крыльчатыми движителями проще, чем винтовых (см. рис. 7). Основная ее особенность — вы­деляемая для установки движителей плоская часть днища.

Цилиндрическая часть корпуса у морских буксиров обычно от­сутствует. У речных она составляет от 5 до 35% расчетной длины корпуса.

Положение центра величины по длине обычно имеет неболь­шое смещение от миделя к носовой оконечности, а по высоте оно ниже у речных и выше у морских буксиров, имеющих килеватость (0,59—0,62 осадки).

При разработке теоретического чертежа следует особое внима­ние обращать на правильное расположение гребного винта относи­тельно корпуса, так как от этого зависят величина пропульсивного коэффициента и появление вибрации корпуса от работы винта. В случае, когда выбран оптимальный диаметр винта и оставлены лишь необходимые зазоры между корпусом и винтом, должно быть исключено влияние свободной поверхности воды и обеспе­чена защита винта от повреждений при работе буксирных судовМорские буксирные суда, классификация и виды в ледовых условиях.

Сноски

Sea-Man

Что такое водоизмещение и коэффициент полноты судна?

5.0

01

Основная величина, характеризующая размеры судна – это объем вытесненной им воды, называемый объемным водоизмещением. То же количество воды, выраженное в единицах массы, называется массовым водоизмещением. Для понтона, показанного, объемное водоизмещение V составит 10 х 5 х 2 =100 куб.м. Однако подводный объем подавляющего большинства судов значительно отличается от объема параллелепипеда. Вследствие этого водоизмещение судна меньше объема параллелепипеда построенного на его главных размерениях и осадке.

Чтобы оценить степень полноты подводной поверхности, в теорию судна введено понятие о коэффициенте общей полноты g, показывающем, какую долю объема указанного параллелепипеда составляет объемное водоизмещение судна V. Следовательно:

V= g x L x B x T

Чтобы определить массовое водоизмещение, достаточно значение V умножить на значение удельной массы воды (пресной – 1000 кгкуб. м, в Мировом океане – от 1023 до 1028 кгкуб.м. Крайними значениями водоизмещения судна при его нормальной эксплуатации являются водоизмещение в полном грузу и водоизмещение порожнем. Разность между ними называется дедвейтом. Он представляет собой массу перевозимого груза, запасов топлива, смазочных масел, воды, провизии, экипажа и пассажиров с багажом, т.е. всех переменных грузов.

Чистая грузоподъемность – масса перевозимого груза, который может быть принят на борт.

В ряде случаев пользуются такими понятиями, как стандартное водоизмещение, полное, нормальное и наибольшее водоизмещение.

Стандартное водоизмещение – это водоизмещение совершенно готового судна, полностью укомплектованного экипажем, снабженного всеми механизмами и устройствами и готового к выходу. Это водоизмещение включает массу оборудования СЭУ, готовой к действию, продовольствия и пресной воды, исключая запасы топлива, смазочных материалов и котельной воды.

Полное водоизмещение равно стандартному пляс запасы топлива, смазочных материалов и котельной воды в количествах, обеспечивающих заданную дальность плавания полным и экономичными ходами.

Нормальное водоизмещение равно стандартному пляс запасы топлива, смазочных материалов и котельной воды в количестве половины запасов, предусмотренных для полного водоизмещения.

Наибольшее водоизмещение равно стандартному плюс запасы топлива, смазочных материалов и котельной воды в полном объеме в специально оборудованных для этого в цистернах (танках).