Содержание к диссертации
Введение
1. Общая система дифференциальных уравнений движения крупнотоннажного танкера при ветре и волнении 8
1.1. Уравнения движения крупнотоннажного танкера в условиях ветра и волнения при отказе рулевого устройства 10
1.2, Учет роли тангенциальной силы винта в маневрировании крупнотоннажного танкера 15
2. Уравнения движения танкера при ветре и волнении 22
2.1. Уравнения стабилизации движения танкера при ветре и регулярном волнении на прямом курсе с постоянной скоростью 22
2.2. Уравнения движения танкера при ветре и нерегулярном волнении на прямом курсе с постоянной скоростью 29
2.3. Маневрирование и уравнения движения крупнотоннажного танкера при пассивном торможении без воздействия руля 41
2.4. Маневрирование и уравнения движения крупнотоннажного танкера при разгоне без воздействия руля 48
2.5. Движение и дрейф крупнотоннажного танкера лагом к ветру 52
2.6. Особенности маневрирования крупнотоннажного танкера при ветре и волнении в балласте 53
3. Натурные исследования маневрирования крупнотоннажного танкера 58
3.1. Методика натурных исследований маневрирования с помощью судового приемоиндикатора НСС 58
3.2. Методика сбора и анализа данных натурного эксперимента 59
3.3. Натурные исследования маневров снижения скорости 63
3.4. Натурные исследования маневров увеличения скорости 69
3.5. Натурные исследования ветро-вол нового дрейфа крупнотоннажного танкера 72
3.6. Выводы 78
4. Рекомендации по обеспечению безопасности мореплавания крупнотоннажного танкера при отказе рулевого устройства с помощью ветрового момента и тангенциальной силы винта 79
Заключение 86
Список использованной литературы 90
Приложение
- Учет роли тангенциальной силы винта в маневрировании крупнотоннажного танкера
- Уравнения движения танкера при ветре и нерегулярном волнении на прямом курсе с постоянной скоростью
- Маневрирование и уравнения движения крупнотоннажного танкера при разгоне без воздействия руля
- Методика сбора и анализа данных натурного эксперимента
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важнейших проблем мирового морского
судоходства всегда остается обеспечение безопасности мореплавания. Современный этап развития судовождения характеризуется появлением новых технических средств и систем, позволяющих автоматизировать многие процессы управления судами. Использование ЭВМ, сочетаемой с новейшими средствами управления судном, позволяют поднять на качественно новый уровень обеспечение безопасности, надежности и экономической эффективности. Однако, несмотря на все повышающуюся автоматизацию процессов судовождения, современная техника еще не может дать полной надежности технических средств управления судном.
Многолетние исследования по анализу аварийности флота показывают, что более 30% аварий с судами произошло из-за недостаточного обоснованного выбора судоводителем маневра в сложившейся обстановке [81, 106, 123]. Статистика показывает, что убытки от одной навигационной аварии в мировом танкерном флоте составляют в среднем около 300000 долларов, а в некоторых случаях могут достигать миллиардов долларов и служить причиной экологической катастрофы. Материальный ущерб от катастрофы крупнотоннажного танкера «Амоко Кадис», из-за выхода из строя рулевого устройства и последующих ошибок судоводителей при маневрировании, превысил 1 миллиард долларов США [79, 85].
Наиболее слабым конструктивным звеном управления является рулевое устройство, поскольку оно не дублируется и, в случае его поломки, судоводитель вынужден прибегать к сочетанию рассчитанных маневров для предотвращения опасной ситуации.
В то же время, в практике управления крупнотоннажными танкерами имеются случаи, когда выход из строя рулевого устройства в открытом море, вследствие грамотного маневрирования, не приводил к катастрофическим
последствиям [55, 85, 88, 121, 130].
Целью диссертационной работы является создание научно обоснованного метода управления крупнотоннажным судном с использованием ветрового момента и тангенциальной силы винта в штормовых условиях, а также разработка рекомендаций судоводителям по решению вопросов о выборе безопасного способа маневрирования в экстремальной ситуации, прогнозе ситуации при его реализации и осуществлении контроля за его исполнением.
Методы исследования. Для решения поставленных задач был принят экспериментально-теоретический метод, так как в настоящее время сложно учесть действие ветрового момента, тангенциальной силы винта и других сил в реальных условиях. Для выполнения теоретической части использовался аппарат дифференциального и интегрального исчислений, теории вероятности, математической статистики и теории математического моделирования с использованием ЭВМ. Экспериментальная часть работы выполнена на крупнотоннажных танкерах различной постройки в штормовых условиях плавания с имитацией отказа рулевого устройства, с привлечением современных технических средств судовождения и математического моделирования маневров танкера в условиях остро-волнового воздействия.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Впервые учитывается при составлении дифференциальных уравнений сила давления волн и ее интегрирование.
Впервые учтена тангенциальная сила винта при косом натекании потока воды и ее использование при маневрировании танкера.
Разработан метод оценки маневрирования крупнотоннажных судов в штормовую погоду при отказе рулевого устройства.
Впервые опытным путем определена наиболее благоприятная позиция крупнотоннажного танкера относительно встречного ветра и волнения,
обеспечивающая наименьшую продольную качку и стабильные условия работы гребного винта. 5. Разработаны предложения капитанам крупнотоннажных танкеров и службам безопасности мореплавания судоходных компаний по действиям в ситуациях отказа рулевого устройства при штормовой погоде.
Практическая ценность. Результаты диссертационной работы нашли практическое применение на крупнотоннажных морских судах при решении задач безопасного маневрирования в случае отказа рулевого устройства в условиях ветра и волнения, а также в учебном процессе при подготовке судоводителей в НГМД.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы являются частью госбюджетных НИР кафедры «Технические средства судовождения» НГМА.
Основные положения работы внедрены в учебный процесс для подготовки слушателей факультета судовождения и радиоэлектроники НГМА на кафедре «технические средства судовождения» по курсу «научные исследования в области безопасности мореплавания» при курсовом и дипломном проектировании.
Результаты работы использованы при разработке рекомендаций судоводителям по управлению крупнотоннажными судами и повышению безопасности мореплавания. Эти рекомендации внедрены на судах ОАО «НОВОШИП», судах ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» и в ООО «Новоморсервис» - службе лоцманской проводки крупнотоннажных танкеров порта Новороссийск.
Кроме того, практические рекомендации были рекомендованы капитанам-наставникам и управляющим трех иностранных судоходных компаний: "Anders Wilhelmsen & Co., AS", "Prime Marine Inc.", "K.Oldendorff Ltd.", a также ЗАО «Дальневосточная морская компания» ("FEMCO Ltd,") и учтены в
разработке руководств для штурманского состава нефтеналивных танкеров и планов судовых учений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались на ежегодных научно-технических и научно-методических конференциях НГМА в 1997-2004 годах.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8 статьях.
Структура и объем работы. Общий объем диссертации - 132 страницы включает содержание - 2 страницы, введение - 4 страницы, четыре раздела -78 страниц, заключение - 4 страницы, список использованной литературы из 173 наименований - 13 страниц, приложение - 30 страниц. Работа содержит 26 иллюстраций и 10 таблиц.
Учет роли тангенциальной силы винта в маневрировании крупнотоннажного танкера
У Н.Ф.Соларева [111, 112] указывается, что имеются лишь отрывочные сведения о влиянии косого натекания на упор и момент винта, и учесть это влияние не представляется возможным. Единственное, что можно учесть, это дополнительную поперечную силу, создаваемую винтом из-за косого натекания потока, которая может быть определена по формуле И.Я.Миниовича и Г.А.Фирсова [90]: где: Хзо - поступь нулевого момента; У Р.Я.Першица [95] отмечается, что наличие такой силы хорошо известно из практики эксплуатации одновинтовых судов, но эта сила невелика и для ее нейтрализации достаточно переложить руль на 2-3. Поскольку боковая сила, возникающая при непереложенном руле мала по сравнению с подъемной силой руля при его перекладке, этой силой при оценке обычного движения судна пренебрегают, но в уравнениях общего движения судна ее целесообразно сохранять, т.е. использовать выражения (1.18) и (1.19) с учетом малости дрейфа (sin[3 » р), если только имеется возможность экспериментально найти коэффициенты: А.В.Васильев [26] отмечает, что «влияние косого натекания при криволинейном движении судна сказывается существенно», и указывает, что согласно многочисленным экспериментам, угол скоса натекания на винт потока может достигать 50. Как указывает Л.Д.Гофман [35], в работах Глауэрта, Фирсова и Миниовича [30, 59] приводится лишь приближенная формула расчета поперечной стабилизирующей силы гребного винта на основе ЛИНЄЙНЬІХ зависимостей, которая может быть использована лишь при малых углах скоса внешнего потока р\ 15 [26, 35]: А.М.Басин и В.М.Анфилов [12, 15] указывают, что «...на быстроходных судах при угле скоса около 10 величина силы может достигать 15-20% от упора винта». Экспериментальные исследования работы гребного винта в косом потоке для углов сноса до 30 приведены в трудах Гутше и проанализированы А.Д.Гофманом [17, 35]: Анализ результатов, полученных Гутше, показал, что увеличение упора и момента на валу гребного винта при работе в косом потоке зависит от шагового отношения P/D и от исходного режима работы гребного винта аТо.
Обработка этих результатов А.Д.Гофманом [35] дала следующие зависимости для коэффициентов изменения упора и момента на валу гребного винта qT и qQ : С], Сг» fi -определяются из графиков вспомогательных функций [27]. Между тем, поперечная сила винта для крупнотоннажных танкеров может достигать значительных величин, что подтверждается экспериментальными данными и практикой эксплуатации. Так, в официальном совместном издании Международной палаты судоходства (ICS) и Международной ассоциации нефтяных компаний (OCIMF) «Опасность в море и спасание» [162], которое в обязательном порядке должно находиться на борту каждого танкера, в главе, посвященной действиям, когда судно в аварийном состоянии, но не на мели, указано первым пунктом, что «полным или аварийно полным ходом возможно привести корму судна с одним винтом в направлении, противоположном действию внешних факторов», а также указываются действия для судна с заклиненным и свободно перекладывающимся рулем, что подтверждает возможность управлять движением судна одним главным движителем без участия руля при помощи тангенциальной силы винта.
Влияние данной силы знакомо на практике лоцманам больших морских терминалов, что указано многими иностранными капитанами и лоцманами, однако без теоретического обоснования и расчетов [130, 148, 151, 160, 162 ]. Большой опыт накоплен в тренажерном центре Порт-Ревел, Франция, однако, для практического накопления данных натурных исследований требуется много времени, к тому же, очень тяжело собирать данные натурного эксперимента в то время, когда крупнотоннажный танкер близок к аварийной ситуации или штормовым повреждениям. Практически величина тангенциальной силы винта при косом натекании потока воды может быть определена по формуле Л.Б.Сандлера [83, 105]: На практике расчеты удобно свести в подготовленную заранее таблицу, с использованием математического пакета Excel, как показано в таблице 1.1. При движении постоянным курсом и с постоянной скоростью ПОЛНОГО переднего хода при ветре и волнении на судно действуют следующие силы: сила упора движителя Рд, сила давления ветра Рв, сила давления волн Рдв, сила сопротивления воды корпусу судна R и сила давления воды на руль Рр [15, 19, 83,86,90]. Как показано на рис. 2,1, разложим эти силы по осям подвижной связанной с судном системы координат ОХ и ОУ с началом в центре тяжести судна (ЦТ)
Уравнения движения танкера при ветре и нерегулярном волнении на прямом курсе с постоянной скоростью
Как известно, ветровые волны имеют явно выраженный нерегулярный характер [19, 22, 23]. При рассмотрении дифференциальных уравнений движения судна с учетом ветра и волнения, будем полагать, что качка и изменение посадки не влияют на рысканье и скорость движения судна. Для определения сил вязкостной природы используется гипотеза стационарности [23]. Связанная с судном система координат OXYZ располагается в ЦТ судна. Поступательные перемещения судна используются системой координат о Г} , совпадающий в начальный момент времени t с системой OXYZ. Гидродинамические характеристики корпуса определяются с системой координат OiX[YiZ начало которой расположено в плоскости мидель -шпангоута. При рыскании на волнении движение судна носит колебательный характер, в связи с этим учитываются обусловленные волнообразием демпфирующие силы. По результатам гидродинамической теории качки, запишем выражения боковой силы для инерционно-демпфирующих сил потенциальной природы [16, 18,21,23]: Выражение для момента рысканья [23]: где (У - частота встречи волы, с" ; Разложение линейных членов гидродинамических характеристик корпуса судна образует следующую систему: С учетом выражений (2.22) и (2.23) запишем, с учетом некоторых преобразований, следующую систему: где: L, S - длина корпуса и площадь ДП судна; р - массовая плотность воды; о - угол перекладки руля, рад. (при отказе рулевого устройства принимаем равным нулю). С учетом кинематических условий связи угловых и линейных перемещений: Данные пары векторов образуют вектор - функции решений фундаментальной системы уравнений. Если их определитель не равен нулю W 0, то произвольные постоянные С(/) и С2(0 определим методом вариации произвольных постоянных: Расчеты по формулам (2.65) и (2.66) производятся на ПЭВМ аналитическим разложением подынтегрального выражения каждых составляющих сил и моментов. При интегрировании сложных функций с несколькими переменными, таких как произведение синусов или косинуса углов (где аргумент является также функцией времени), интегрирование начинается с вычисления аргумента и подстановкой найденного проинтегрированного решения в аналитическое разложение первой (второй) по счету функции, в зависимости от числа подынтегральных выражений. Второй способ получения численных значений выражений - это составление программы по формулам (2.65), (2.66), что возможно сделать в одном из интегрированных математических пакетов. В результате, проведенные расчеты с помощью ПЭВМ, позволяют получить закономерности изменения угла дрейфа р (t) и закономерности изменения угловой скорости, как показано на рис. 1.3. Изменение курсового угла определим по формуле: где: к - безразмерный коэффициент, находящийся в пределах 0.4 - 0.7 [28]. С учетом вышеуказанного, формулы для определения координат движения ЦТ судна можно записать в следующем виде: і где:" кв — f\jk, vk) - коэффициент падения скорости от ветра (0,8 4- 0,9). Пример экспериментально полученных траекторий движений крупнотоннажного танкера в условиях встречного ветра был приведен на рис. 1.1 - 1.2. Пример рассчитанных траекторий движения танкера и зависимостей изменения угла курса от времени по формулам (2,69) — (2,73), в условиях встречного ветра, приведен на рис. 1.3. - 1.5. Приведенные расчеты были выполнены по данным натурного эксперимента на танкерах "Alexandres" дедвейтом 130000 тонн - в течение общего времени 12,5 часов и на танкере "Wtlma Yangtze" дедвейтом 155000 тонн - в течение 10 часов, а также на танкерах типа «Крым»: «Кузбасс» и «Кубань», дедвейтом 150500 тонн, в течение 18 часов. В литературе по судовождению количественные характеристики движения крупнотоннажных танкеров при пассивном торможении во время ветра и волнения не нашли достаточного отражения. Точное решение задачи возможно только на основе экспериментально-теоретического метода с проведением натурных испытаний судов. Для решения поставленной задачи воспользуемся приближенным методом. Учитывая небольшую величину угловой скорости вращения со, которую развивает судно при воздействии ветрового момента, будем полагать ее величиной постоянной, равной среднему значению. Составим дифференциальные уравнения движения, ограничившись двумя уравнениями. Как показано на рис. 2.2, траектория движения центра тяжести представляет кривую линию. Поместим подвижную систему координат в центр тяжести судна с осями ОХ и ОУ. В любой точке траектории N (Х,У) судно движется со скоростью V и угловой скоростью со, на судно действуют три силы : сила сопротивления воды корпусу судна R, сила давления ветра Ра и сила давления волн Р„ [16, 83].
Маневрирование и уравнения движения крупнотоннажного танкера при разгоне без воздействия руля
Как видно из рисунка, сила Рд и среднее значение силы Рв не создают поворачивающих моментов. Среднее значение силы давления волн будет приложено в районе ЦТ судна, В то же время, в зависимости от направления ударов волн о корпус судна, волновой момент периодически будет менять знак, он может быть направлен как вправо при ударе волн в носовую часть, так и влево при ударе волн в кормовую часть. Эти моменты будут создавать дополнительную рыскливость судна, суммарный же момент от этих ударов будет близок к нулю. Силы Рву и Ry образуют пару сил, вызывающую поворачивающий момент (Ма), направленный влево (на ветер) и называемый ветровым моментом. Для компенсации этого момента судно вынуждено удерживать руль переложенным вправо (под ветер), создавая рулевой момент Мр, равный величине Мв. В соответствии со схемой сил и моментов (Рис. 2.1), уравнения движения судна имеют вид: Мр-Мв = 0.
Произведем количественную оценку действующих на судно сил и моментов. Сила Рд может быть приближенно оценена по формуле: Pfl = 0,0125Nj; (2.2) где: Nj - индикаторная мощность двигателя. Сила давления ветра равна [83, 93, 95, 112]: где с - коэффициент сопротивления корпуса судна; св = 0.8 - коэффициент, учитывающий уменьшение скоростного напора ветра по высоте (на свободой поверхности воды). Сила давления волн на судно может быть определена по формуле Д.Н.Ньюмена [83, 129]: При движении с постоянной скоростью при волнении сопротивление воды корпусу судна увеличивается и может быть определена по методике Л.С.Шифрина [109, 145], согласно которой величина дополнительного сопротивления, зависящая от многих факторов, может быть определена по формуле: где: h (со) - передаточная функция дополнительного сопротивления; S (со) - спектральная плотность морского волнения; ( - частота волнения.
Метод апробирован на морских судах среднего тоннажа, поэтому воспользуемся приближенным методом, основанным на исследованиях потерь скорости хода в эксплуатационных условиях крупнотоннажных танкеров. Будем полагать, что упор винта Рд при одних и тех же оборотах полного переднего хода на тихой воде и волнении одинаков, тогда имеем очевидное равенство: KV =KIVI, где; К - коэффициент сопротивления корпуса на полном переднем ходу на тихой воде; V - скорость полного переднего хода ; Ki - коэффициент сопротивления корпуса судна при волнении и ветре; V] - скорость, которую имеет судно при волнении и ветре, и при работе двигателя на полный передний ход. Величину К можно определить по формуле: -26 kV =- Г (2.6) Сопротивление корпуса судна на тихой воде определим по классической формуле [13, 23, 24, 62, 89, 91]: pV2 Д = С -Я; (2.7) где: - коэффициент полного сопротивления, определяется в у зависимости от числа Фруда: Fr = Q. - смоченная поверхность корпуса судна, м ; Величину Q возможно определить по формуле С.П.Мурагина [13, 113]: Q = LT(1.36 + 1J36B/T); (2.8) На основании квадратичной зависимости R от скорости V будем иметь: k=j2 - (2-9) Значение скорости хода в существующих условиях плавания можно определить по формуле [86,108]:
Методика сбора и анализа данных натурного эксперимента
Примеры таблиц для сбора информации в реальных судовых условиях, на мостике танкера, приведены в Приложении, таблицы П.1 - П.30. Далее, по значениям pj, ЛІ рассчитываются приращения прямоугольных координат Дх и Ду по меридиану и параллели соответственно [7, 12]: В этом случае текущие координаты определяются суммой приращений (3.1): где ф и X выражаются в угловых минутах, а Дх, Ду - в милях; і = 0,1,2,..., п. В маршрутной системе координат, связанной с началом маневра, текущие координаты равны: гирокомпасного курса TKK(t) были выбраны степенные полиномы, порядок которых был определен экспериментально и может быть принят равным трем: где коэффициенты е} - ej находятся из условий аппроксимации.
При использовании прямоугольных координат скорость определяется При торможении судна, в случае получения сложной траектории, порядок полиномов может быть увеличен до четвертого или пятого, что устанавливается по получаемой погрешности аппроксимации. При остановке двигателя судно, у которого центр парусности находится у миделя или смещен к корме, под действием ветрового момента уклоняется в наветренную сторону. При ветрах бейдевинд к моменту остановки такое судно занимает положение строго против ветра. Затем, по мере смещения назад судно разворачивается лагом к ветру. На рис. 3.1. показан путь пассивного торможения танкера «Wilma Yangtze», полученный при натурных испытаниях при ветре бейдевинд скоростью 15 м/с по левому борту. Перед остановкой двигателя танкер имел скорость Vo 12.5 уз., руль находился в положении прямо (рис. 3.2.). Судно отклонилось в сторону ветра от линии начального пути на 10.2 кб. и к моменту остановки встало в положение против ветра. Рис. 3.4. График торможения т/х "Nordmark" в балласте до МПХ по данным натурных испытаний, при встречном ветре 15 м/с. В данном случае уравнения движения судна при ветре с остановленным двигателем можно записать в следующем виде [103]: При маневре пассивного торможения, когда упор двигателя равен нулю (Рд - 0) на постоянном курсе при vy = 0, со = 0, приняв квадратическую зависимость о J где Ro - сопротивление воды при скорости Vo; Проинтегрировав уравнение (3.11) методом разделения переменных и освободившись от констант при V, получим : 19) Формула 3.12) позволяет по результатам натурных испытаний судна при пассивном торможении определить инерционный коэффициент «а» по результатам натурных испытаний где t- время, за которое произошло снижение скорости от Vo до V. Из формулы (3.13) определим закон изменения скорости V(t), который имеет вид:
