Теория судна - это наука о равновесии и движении плавающего судна. Она изучает законы, определяющие мореходные качества судна.

• Теоретический чертеж судна
• Мореходные качества судна
• Эксплуатационные качества судна
• Гребной винт
• Грузовая марка
• Марки углубления
• Качка
• Остойчивость
• Влияние на остойчивость насыпных грузов
• Непотопляемость
• Управляемость
• Циркуляция судна и элементы циркуляции
• Успокоители качки
• Активные рули
• Набор корпуса судна
• Обводы корпуса судна

 

Теоретический чертеж судна

Теоретический чертеж судна - графическое изображение наружной поверхности корпуса судна, дающее полное представление о форме его обводов. Для всех судов, кроме деревянных, на теоретическом чертеже принято изображать поверхность судна без учета толщины наружной обшивки. Для построения теоретического чертежа в качестве проекций используют 3 взаимно перпендикулярные плоскости: диаметральную (ДП) - вертикально-продольную плоскость, делящую судно на 2 симметричные части; плоскость мидель-шпангоута - вертикально-поперечную плоскость, проходящую посредине длины судна; плоскость грузовой ватерлинии - горизонтально-продольную плоскость, совпадающую с поверхностью тихой воды при осадке судна с полным грузом.

Проекции обводов судна на эти плоскости называются соответственно боком, полуширотой и корпусом. Кривые, образуемые пересечением наружной поверхности судна с плоскостями, параллельными ДП, называются батоксами, параллельными плоскости мидель-шпангоута - шпангоутами и параллельными плоскости грузовой (конструктивной) ватерлинии - ватерлиниями. Вследствие симметрии судна относительно ДП на теоретическом чертеже изображают половины шпангоутов и ватерлиний. Для построения Т.ч. длину судна разбивают на 20 равных участков, полушироту - на 2-3 участка и осадку на 4-6 участков, кроме того, проводят 1-2 доп. горизонтальные плоскости выше груз. ватерлинии, характеризующие форму обводов надводной части. На этих плоскостях изображают линии верхней палубы, палубы надстроек (бака и юта) и фальшборта.

На полушироте изображаются 6-8 ватерлиний, обозначаемых цифрами 0,1,..; нумерация идет снизу вверх. На проекции "бок" вычерчивают основную линию, линию верхней палубы, контуры форштевня и ахтерштевня, ДП и 2-3 батокса, обозначаемых римскими цифрами I, II, Ж от ДП к борту.

Мореходные качества судна

Мореходные качества определяют надежность и конструктивное совершенство судна. К мореходным качествам относятся: плавучесть, остойчивость, непотопляемость, управляемость, ходкость, мореходность судна.

Остойчивостью называется способность судна, выведенного из положения равновесия под воздействием внешних сил, снова к нему возвращаться после прекращения этого воздействия.

Плавучестью называется способность судна плавать в требуемом положении относительно поверхности воды при заданной нагрузке.

Непотопляемостью называется способность судна сохранять достаточную плавучесть и остойчивость после затопления одного или нескольких отсеков.

Мореходностью называется способность судна противостоять воздействию морского волнения с колебаниями возможно меньшей частоты и амплитуды.

Ходкостью судна называется его способность перемещаться по воде с заданной скоростью под действием приложенной к нему движущей силы.

Управляемость судна характеризуется двумя качествами: поворотливостью, т.е. способностью судна изменять по желанию судоводителя направление движения, и устойчивостью на курсе, т.е. способностью судна сохранять заданное ему прямое направление движения без отклонения в стороны.

Эксплуатационные качества судна

Эксплуатационные качества определяют транспортные возможности и экономические показатели судна. Они определяются его грузоподъемностью, грузо и пассажировместимостью, скоростью, маневренностью, дальностью и автономностью плавания.

Грузоподъемность - вес различного рода грузов, которые может перевезти судно при условии сохранения проектной посадки. Существует чистая грузоподъемность и дедвейт.
Чистая грузоподъемность - это полная масса перевозимого судном полезного груза, т.е. масса груза в трюмах и масса пассажиров с багажом и предназначенных для них пресной водой и провизией, масса выловленной рыбы и т. п., при загрузке судна по расчетную осадку.

Дедвейт (полная грузоподъемность) - представляет собой общую массу перевозимого судном полезного груза, составляющего чистую грузоподъемность, а также массу запасов топлива, котельной воды, масла, экипажа с багажом, запасов провизии и пресной воды для экипажа при загрузке судна по расчетную осадку. Если судно с грузом принимает жидкий балласт, то масса этого балласта включается в дедвейт судна.

Водоизмещение порожнем - сумма всех постоянных весов, из которых слагается вес конструкции построенного судна (корпус, механизмы, судовые устройства, системы и оборудование, инвентарное снабжение, вес запасов топлива, масла в системе для запуска двигателя и твердый балласт (на некоторых судах).

Полное водоизмещение - водоизмещение порожнем плюс дедвейт.

Грузовместимостью судна называется суммарный объём всех грузовых помещений. Измеряется грузовместимость в кубических метрах. Различают грузовместимость по штучному и сыпучему грузу. Вместимость по сыпучему грузу - зерновая вместимость - равна теоретическому объему грузовых помещений за вычетом объема набора и других конструкций, находящихся внутри грузовых помещений (полупереборки, пиллерсы, шахты, трапы, трубы и т.п.). Вместимость по штучному грузу - киповая вместимость - на 8-10% меньше вместимости по сыпучему грузу, так как в нее не включают пространство между шпангоутами, бимсами и стойками переборок, которое не может быть использовано для размещения ящиков, бочек, и пр.

Зерновая вместимость - равна теоретическому объему грузовых помещений за вычетом объема набора корпуса и других конструкций внутри помещения (4-5%).

Киповая вместимость - вместимость по штучному грузу и обычно на 8-10% меньше вместимости по сыпучему грузу.

Регистровая вместимость судна, регистровый тоннаж - суммарный объем корпуса, надстроек и рубок, определенный в соответствии с правилами обмера судов и выраженный в регистровых тоннах.

Различают валовую (вместимость брутто, брутто-регистровый тоннаж - BRT, GRT) и чистую (вместимость нетто, нетто-регистровый тоннаж - NRT).

Валовая вместимость, измеряемая в регистровых тоннах (рег. т.), представляет собой полный объем помещений корпуса и закрытых надстроек, за исключением объемов отсеков двойного дна, цистерн водяного балласта, а также объемов некоторых служебных помещений и постов, расположенных на верхней палубе и выше (рулевой и штурманской рубки, радиорубки, камбуза, санузлов экипажа, световых люков, шахт, помещений вспомогательных механизмов и пр.).

Чистую вместимость получают в результате вычета из валовой вместимости объемов помещений, непригодных для перевозки коммерческого груза, пассажиров и запасов, в том числе жилых, общественных и санитарных помещений экипажа, помещений, занятых палубными механизмами и навигационными приборами (румпельное отделение, помещения механизмов шпилей и брашпилей, штурманская рубка, кладовые карт, навигационных приборов, навигационных инструментов, шкиперских запасов и т. п.), а также помещений, занятых "движущими механизмами", т. е. машинно-котельных отделений и др. Иными словами, в чистую вместимость входят только помещения, которые приносят судовладельцу непосредственный доход - грузовые помещения и помещения, занимаемые пассажирами или предназначаемые для их обслуживания.

Скорость хода - эксплуатационное качество судна, обеспечивающее экономи-ческую эффективность транспортных операций. Чем выше скорость, тем выше провозная способность судна.

Дальность плавания судна - наибольшее расстояние, которое судно может пройти с заданной скоростью без пополнения запасов топлива, котельно-питательной воды и смазочного масла. Определяется назначением судна.

Автономность плавания - длительность пребывания судна в рейсе без пополнения запасов топлива, провизии и пресной воды, необходимых для жизни и нормальной деятельности находящихся на судне людей (экипажа и пассажиров).

Маневренность судна - способность судно быстро изменять направление и скорость движения. Количественно оценивается максимально достижимой скоростью изменения указанных параметров движения. Зависит от скорости судна, управляемости и реверсивных характеристик.

Живучесть судна - способность судна при получении повреждений сохранять свои эксплуатационные и мореходные качества. Обеспечивается непотопляемостью, пожаробезопасностью, надежностью технических средств, подготовленностью экипажа.

Гребной винт 

Гребной винт - судовой движитель, состоящий из нескольких (3-8) лопастей, которые расположены радиально на цилиндрической или конической ступице на равных угловых расстояниях. Гребные винты имеют различную конструкцию: цельнолитую, с поворотными (винты регулируемого шага) и со съемными лопастями.

Гребные винты со съемными лопастями, имеющими болтовое соединение со ступицей, применяют главным образом, на судах ледового плавания. Гребные винты изготовляют из бронзы, латуни, нержавеющих и углеродистых сталей, чугуна. Металлические винты выполняют литыми с последующей станочной обработкой. Для малых гребных винтов применяют пластмассы. Диаметр наиболее крупных винтов около 10 м.

Лопасти гребных винтов представляют собой крылья специальной формы, образованные пересечением 2 винтовых поверхностей. Линия этого пересечения является контуром лопасти. Сторона лопасти, обращенная в нос судна, называется засасывающей, поскольку при движении судна передним ходом в ней развивается разрежение среды. Противоположная сторона лопасти является нагнетающей. Часть лопасти, примыкающая к ступице, называется корневой.

Различают гребные винты правого и левого вращения в зависимости от направления вращения образующих лопасти винтовых поверхностей.

Грузовая марка

Во избежание недопустимой перегрузки судна с конца XIX - начала XX вв. на грузовых судах наносят знак грузовой марки, определяющий в зависимости от размеров и конструкции судна, района его плавания и времени года минимальную допустимую величину надводного борта.

В настоящее время грузовую марку наносят в соответствии с требованиями Международной конвенции о грузовой марке 1966 г. Знак грузовой марки наносят на правом и левом бортах в средней части судна. Горизонтальная полоса, нанесенная посредине изображенного на грузовой марке диска, соответствует летней грузовой ватерлинии, т.е. ватерлинии при плавании судна летом в океане при плотности воды 1,025 т/м куб.

В нос от диска наносят "гребенку" - вертикальную линию с отходящими от нее грузовыми марками - горизонтальными линиями, до которых может погружаться судно при различных условиях плавания: летом (Л) (summer - S), зимой (З) (winter - W), зимой в Северной Атлантике (ЗСА) (winter North Atlantic - WNA), в тропиках (Т) (tropic - T), в пресной воде в устьях рек (П) (fresh - F), в пресной воде в тропиках (ТП) (fresh tropic - FT). Суда, приспособленные для перевозки леса, снабжают дополнительно специальной лесной грузовой маркой, располагаемой в корму от диска. Эта марка допускает некоторое увеличение осадки в том случае, когда судно перевозит лесной груз на открытой палубе.

Марки углубления

Марки углубления - деления, нанесенные на форштевне и ахтерштевне судна, указывающие осадку судна носом и кормой. Деления наносят через 1 дм (10 см) и над ними проставляют арабские цифры через 2 дм. Высота цифр равна 1 дм. Часто марки углубления наносят в футах. Тогда расстояние между делениями равно 1 футу. В этом случае проставляют римские цифры высотой полфута на каждом делении.
Нижние края арабских или римских цифр совпадают с чертой, соответствующей той осадке, которую указывает данное число.

Качка

Качкой называют колебательные движения около положения равновесия, совершаемые свободно плавающим на поверхности воды судном.

Бортовая качка - колебательные движения, совершаемые судном вокруг проходящей в ДП продольной оси.

Килевая качка - колебательные движения, совершаемые судном вокруг поперечной оси.

Вертикальная качка - колебательные движения, совершаемые судном в вертикальной плоскости вверх и вниз и вызываемые изменением сил поддержания при прохождении волны под судном.

Амплитуда качки - отклонение судна от положения равновесия. Иногда применяется термин "размах качки", под которым понимается удвоенная амплитуда. В обычной практике мореплавания амплитуда бортовой качки измеряется с помощью судового кренометра.

Период качки - продолжительность одного полного колебания судна, т.е. четырёх амплитуд. На нерегулярном волнении средний период качки близок к периоду собственных колебаний судна на тихой воде. Для его вычисления необходимо с помощью секундомера измерить не менее 10 периодов и найти среднее значение.

Остойчивость

Остойчивость - способность судна, выведенного внешним воздействием из положения равновесия, возвращаться в него после прекращения этого воздействия. Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент, который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра, волнения и по др. причинам. Кренящий (дифферентующий) и восстанавливающий моменты действуют в противоположных направлениях и при равновесном положении судна равны по абсолютной величине.

Метацентр - центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины С в процессе наклонения судна. Если наклонение происходит в поперечной плоскости (крен), метацентр называют поперечным, или малым, при наклонении в продольной плоскости (дифферент) - продольным, или большим. Соответственно различают поперечный (малый) r и продольный (большой) R метацентрические радиусы, представляющие радиусы кривизны траектории С при крене и дифференте.

Метацентрическая высота - расстояние между метацентром и центром тяжести судна. Различают М. в. поперечную (малую) h и продольную (большую) H. Метацентрическая высота является мерой начальной остойчивости судна, определяющей восстанавливающие моменты при малых углах крена или дифферента. При возрастании М.в. остойчивость судна повышается. Для положительной остойчивости судна необходимо, чтобы метацентр находился выше ЦТ судна. Если метацентрическая высота отрицательна, т.е. метацентр располагается ниже ЦТ судна, силы, действующие на судно, образуют не восстанавливающий, а кренящий момент, и судно плавает с начальным креном (отрицательная остойчивость). Действующими нормами остойчивости отрицательная М.в. не допускается. Радикальной мерой повышения остойчивости является увеличение ширины судна или снижение его Ц.Т.

Влияние на остойчивость насыпных грузов 

Если жидкий груз можно отнести к категории легко перемещающихся грузов, которые приходят в движение при малейшем наклонении судна, то насыпной груз при тех же условиях придет в движение только в том случае, когда угол крена судна превысит так называемый угол естественного откоса - угол крутизны, при котором насыпной груз, находящийся в куче, еще остается в покое.

Динамика смещения груза весьма сложна. Под влиянием небольшой качки смещается лишь тонкий слой груза, что не может оказать заметного влияния на остойчивость судна и практически приводит лишь к выравниванию поверхности груза, образовавшейся при погрузке. Увеличение количества пересыпающегося груза с нарастанием угла качки происходит неравномерно, а с резким переходом при некотором угле крена от тонкого поверхностного слоя сразу к достаточно толстому.

При некоторых углах крена груз вообще не смещается, а затем сползает на один борт сразу большим пластом, причем вновь образующаяся поверхность груза, как правило, бывает плоской с небольшим повышением у борта, на который происходит крен. Пересыпание груза вызывает перемещение центра тяжести судна в сторону крена и, следовательно, уменьшение восстанавливающего момента. Судно получает дополнительный крен и может опрокинуться в случае внезапного шквала или приложения какого-либо другого кренящего момента.

Существуют различные предупредительные меры по ограничению смещения насыпных грузов:

- разделение трюмов постоянными или временными продольными переборками. Они должны простираться на высоту, достаточную для предотвращения смещения: в твиндеках такие переборки устанавливают от палубы до палубы. Переборки должны быть достаточно прочными, соответствующим образом закрепленными и непроницаемыми для данного груза;

- устройство над грузовыми люками шахт - питателей достаточной емкости (2,5-8% вместимости отсека);

- при частичном заполнении трюма - выравнивание насыпного груза и укладка сверху мешков с этим грузом.

Непотопляемость

Непотопляемостью называется способность судна сохранять плавучесть и остойчивость при затоплении одного или нескольких отсеков, образованных внутри корпуса судна водонепроницаемыми переборками, палубами и платформами.

Поступление забортной воды в корпус судна, в результате его повреждения или намеренного затопления отсеков, приводит к изменению характеристик плавучести и остойчивости, управляемости и ходкости. Перераспределение сил плавучести по длине судна вызывает дополнительные напряжения в корпусе судна, который должен сохранить при этом достаточную прочность. Кроме того, решение задачи об обеспечении непотопляемости транспортного судна затрагивает ряд очень важных технико-эксплуатационных показателей.

В процессе расчета непотопляемости определяют посадку судна и остойчивость судна после затопления одного или нескольких водонепроницаемых отсеков. Если оказывается, что аварийный крен, минимальная высота аварийного надводного борта и остойчивость поврежденного судна лежат в пределах, предусмотренных требованиями к непотопляемости, то непотопляемость судна считается обеспеченной. В противном случае принимают меры к улучшению аварийной посадки и остойчивости.

Конструктивно непотопляемость обеспечивают, разделяя корпус судна на ряд отсеков с помощью водонепроницаемых переборок, палуб и платформ. Палубу, до которой доходят главные водонепроницаемые переборки, принято называть палубой переборок. Конструктивно непотопляемость судна обеспечивается также устройством на судне осушительных систем, мерительных труб, водонепроницаемых закрытий и т.п.

Управляемость

Управляемость судна характеризуется двумя качествами: поворотливостью, т.е. способностью судна изменять по желанию судоводителя направление движения, и устойчивостью на курсе, т.е. способностью судна сохранять заданное ему прямое направление движения без отклонения в стороны.

Устойчивостью на курсе называется способность судна сохранять прямолинейное направление движения в соответствии с заданным курсом. Поворотливость - это способность судна изменять направление движения и двигаться по заранее выбранной судоводителем криволинейной траектории.

Управляемость судна обеспечивается специальными средствами управления, назначение которых - создавать силу (перпендикулярную ДП), вызывающую боковое смещение судна (дрейф) и поворот его вокруг продольной (крен) и поперечной (дифферент) осей.

Средства управления подразделяются на основные и вспомогательные. Основные средства - рули, поворотные насадки, крыльчатые движители - предназначены для обеспечения управляемости судна во время его движения. Вспомогательные средства обеспечивают управляемость судна на предельно малых ходах и при движении по инерции с неработающим г.д. К этой группе относятся подруливающие устройства различных типов, активные рули.

Циркуляция судна и элементы циркуляции

Криволинейная траектория, которую описывает центр тяжести судна при перекладке руля на некоторый угол и последующем удержании его в этом положении, называется циркуляцией.

Диаметр установившейся циркуляции - расстояние между положениями ДП судна для двух последовательных курсов, отличающихся на 180 град. при установившемся движении.

Тактический диаметр циркуляции - кратчайшее расстояние между ДП судна в начале поворота и ее положением в момент изменения курса на 180 град.

Выдвиг - расстояние, на которое перемещается ЦТ судна в направлении первоначального курса с момента перекладки руля до изменения курса на 90 град.

Прямое смещение - расстояние от линии первоначального курса до ЦТ судна в момент, когда его курс изменился на 90 град.

Обратное смещение - расстояние, на которое под влиянием боковой силы руля ЦТ судна смещается от линии первоначального курса в сторону, обратную направлению поворота.

Успокоители качки

Успокоители качки - специальные устройства, устанавливаемые на судах для умерения качки. Применяются свыше 100 лет и весьма разнообразны по принципу действия и конструкции.

Успокоители качки классифицируют по направлению действия стабилизирующего момента, по природе сил, создающих этот момент, по принципу управления. По 1-му признаку различают успокоители бортовой и продольной качки судна. Первые получили весьма широкое распространение. По 2-му признаку успокоители качки разбивают на 3 типа: гравитационные, гироскопические и гидродинамические. У гравитационных успокоителей качки стабилизирующий момент создается перемещением внутри судна твердого тела или жидкости. Успокоитель качки состоит из тяжелого диска (гироскопа), вращающегося с большой скоростью вокруг оси, соединенной с рамой. Ось качаний рамы расположена горизонтально в поперечной плоскости судна и специальными цапфами соединена с его корпусом.

При качке судна и вращении гироскопа возникает сложное движение рамы - прецессия, приводящая к появлению в цапфах реакций, создающих стабилизирующий момент. Гидродинамические успокоители качки представляют собой специальные выступающие части (пластины или крылья), устанавливаемые на корпусе судна. Для успокоения бортовой качки применяются скуловые кили и бортовые управляемые рули.

Активные рули

Активный руль - это небольшой гребной винт, установленный в пере обычного руля и приводимый в действие от электродвигателя, расположенного либо непосредственно вместе с ним в пере руля, либо в баллере.

При перекладке руля с работающим в нем гребным винтом последний создает упор, поворачивающий кормовую оконечность судна, даже если оно не имеет хода. Работающий гребной винт активного руля может также сообщать судну малый ход вперед. Активные рули применяют на траулерах, паромах, исследовательских и других судах.

Набор корпуса судна 

Набор корпуса судна - совокупность поперечных и продольных балок, представляющая собой остов корпуса судна заданной формы и опору для присоединяемой к ним обшивки. Вместе с обшивкой набор корпуса судна образует днищевые, бортовые, палубные и переборочные перекрытия, воспринимающие нагрузки, действующие по нормали к ним и в их плоскости. Набор корпуса судна участвует в обеспечении общей и местной прочности судового корпуса, а также прочности и устойчивости обшивки.

Судовые балки располагают главным образом в 2 взаимно перпендикулярных на-правлениях - поперек и вдоль судна. Параллельные балки, число которых в перекрытии преобладает, называют балками главного направления, перпендикулярные к ним балки - перекрестными связями. Каждое перекрытие в зависимости от преобладающих нагрузок и габаритных размеров имеет определенную систему набора. Если ограниченные балками набора пластины обшивки перекрытия ориентированы поперек судна - система набора поперечная, если вдоль судна - продольная, если пластина квадратная - то система набора называют клетчатой. Систему набора в пределах трюма, танка считают смешанной, когда, например, днище и палуба имеют продольную систему набора, борта - поперечную.

 

Обводы корпуса судна

Обводы корпуса - внешние очертания корпуса судна. Изображаются графически на взаимно перпендикулярных плоскостях с помощью теоретических шпангоутов, батоксов и ватерлиний, составляющих теоретический чертеж. Обводы корпуса во многом определяют ходовые качества, остойчивость и мореходность судна, массу корпуса, водоизмещение, вместимость, ледопроходимость и др.

Для численной характеристики обводов корпуса используют соотношения главных размещений судна и коэффициенты полноты. Иногда обводы корпуса характеризуют словесно: полные обводы - у судов с большими коэффициентами полноты площадей шпангоутов и ватерлиний, острые обводы - у судов с малыми коэффициентами полноты, упрощенные обводы - с использованием в поверхности корпуса большого числа плоских участков и др.