Маневр торможения судна

Важнейшими характеристиками маневров торможения судна являются время t, путь торможения S(t) и скорость V(t).

Для практики важен наиболее эффективный способ остановки движения — торможение судна с помощью гребного винта. Длина тормозного пути при этом зависит от нескольких основных факто­ров: водоизмещения судна, начальной скорости, типа энергетиче­ской установки и ее мощности, характеристик гребного винта.

Изменение направления вращения гребного винта (реверсиро­вание) совершается для изменения движения судна (вперед, назад), а также для ускорения его остановки. Можно отметить два прин­ципиально различных метода реверсирования гребного винта: применение специального реверсивного механизма; использование механического гидравлического или электрического промежуточно­го привода между коленчатым и гребными валами. В настоящее время реверсивными механизмами снабжают только мощные тихо­ходные судовые дизели. На быстроходных дизелях установлены реверсивные муфты с механическими или электрическими приводами.

Реверсивные устройства объединяют с топливоподающими и пусковыми, а также блокируют с машинным телеграфом.

Процесс торможения судна, идущего передним ходом, условно можно разделить на три периода (рис. 14.10).

Первый период (время t₁)—от момента установки на машин­ном телеграфе команды заднего хода до момента прекращения по­дачи топлива в двигатель (или закрытия стопорного клапана в слу­чае, если судно имеет паровую машину или турбину). В этот период судно следует с постоянной скоростью установившегося движения V_c. Путь судна, пройденный в этот период,

Продолжительность периода t₁ зависит от типа энергетической установки, наличия или отсутствия дистанционного управления главными двигателями и действий механика. Время t₁ определяется только по эксперименту на конкретном судне. Для расчетов можно принять t₁ = 5÷7 с.

Второй период (время t₂) — с момента прекращения подачи топ­лива до пуска двигателя на задний ход. В целом продолжительность второго периода весьма существенно зависит от действий механи­ка и обычно оценивается статистическим путем.

Применение специальных средств при выполнении команды зна­чительно ускоряет процесс и делает его эффективным. Таким сред­ством в дизелях с воздушной реверсивно-пусковой системой являет­ся подача воздуха для пуска на задний ход еще до остановки двига­теля (контрвоздух). Как правило, для подачи контрвоздуха часто­ту вращения дизеля надо снизить, она должна составлять не более 50% номинальной. В начале вращение дизеля происходит на возду­хе, по достижении надежной пусковой частоты вращения осущест­вляется перевод на топливо. В первом приближении можно считать, что при частоте вращения, составляющей 20—30% номинальной, двигатель можно успешно останавливать с помощью контрвоздуха. Время падения частоты вращения до значения, равного 20—30% номинального, при торможении судна с полного переднего хода (в грузу) составляет ориентировочно 1—4 мин.

Движение судна во втором периоде можно рассматривать как режим пассивного торможения, который описывается следующим дифференциальным уравнением:

где е, e_L — коэффициенты, учитывающие влияние соответственно глубины  моря и свободно вращающегося гребного винта.

После разделения переменных и интегрирования в пределах от О до ti и от У_с до Vt получим (в с):

откуда

где V_c — начальная скорость, м/с;

t₁ — время пассивного торможения, с.

Данная формула позволяет получить значение скорости на лю­бом участке пассивного торможения, если известны величины т и К. Подставив в формулу (14.12) значение t₁, равное t₂, расчетным путем получим: V_i= V₂.

Испытания показали, что у теплоходов гребной винт может раз­вивать максимальную тормозную силу при V₂≈ (0,5÷0,7) V_c, а у турбинных V₂ = 0,37 V _С.

Для нахождения пути пассивного торможения используем выра­жение для его элементарного участка: dS=V_idt. Подставив в выражение (14.12) вместо Vi равное ему отношение dS/dt, после инте­грирования и преобразований получим путь торможения (в м):

Аналогично при      Vi=V₂ можно рассчитать Si = S₂.

Из формул (14.11), (14.13) следует, что при пассивном тормо­жении теоретически полная остановка судна (F, = 0) произойдет только при t_i =, при этом S—>. В действительности при испыта­ниях суда останавливаются при полной потере скорости. Такое рас­хождение объясняется тем, что принятый в уравнении (14.10) пока~-затель степени п —2 на малых скоростях судна не соответствует действительности. При таких скоростях более справедливо прини­мать п<2.

Однако время и путь можно определить, приняв, что в конце торможения скорость имеет некоторое малое значение, при котором практически можно считать судно уже остановившимся, например Vi =0,1V_c.

Третий период — это активный участок торможения судна при частоте вращения движителя на задний ход в заданном режиме.

Процесс активного торможения описывается дифференциальным уравнением

Данное уравнение справедливо при определенных допущениях. Исследованиями доказано, что упор винта на заднем ходу колеб­лется в незначительных пределах и равен некоторому среднему значению Т, эквивалентному по конечному результату торможения переменному упору T(t). В этом случае уравнение (14.14) ин­тегрируется в конечном виде. Принимая в качестве начальных ус­ловий характеристики второго периода t_i= t₂, S,- = S₂ и Vi = V₂, полу­чим следующие выражения для характеристик третьего периода:

В приведенных формулах: ii — время активного торможения, с; Vi — скорость, м/с; Si — путь активного торможения, м.

Третий период торможения заканчивается при V_i, = 0. Тогда:

Окончательные полные выражения времени и пути торможения судна получаем суммированием отдельных их значений по трем периодам:

Тормозные характеристики судов с турбинной установкой имеют некоторые отличия от соответствующих характеристик судов с ДВС при прочих равных условиях. Известно, что турбина является нере­версивной машиной. Для обеспечения реверса и той или иной мощ­ности заднего хода судовые турбозубчатые агрегаты (ГТЗА) нуж­даются в постановке турбины заднего хода (ТЗХ). В практике проектирования, постройки и эксплуатации большого числа ГТЗА для ТЗХ транспортных судов получила распространение следующая спецификация: турбина должна обеспечивать вращающий момент, равный 80%, при частоте вращения на задний ход, равной 50% час­тоты вращения, развиваемой при номинальной мощности переднего хода и при том же расходе пара. Таким образом, расчетная мощ­ность ТЗХ составляет примерно 40% номинальной мощности агре­гата. Поэтому путь и время торможения турбоходов больше, чем эти величины для теплоходов таких же размеров.

Торможение судов, оборудованных винтами регулируемого шага (ВРШ), осуществляется путем поворота лопастей винта без измене­ния направления его вращения. В зависимости от скорости поворо­та ВРШ разделяют на группы: к первой относят винты, у которых полный поворот лопастей из положения переднего хода на положе-жение полного заднего хода осуществляется за время менее 30 с; ко второй — ВРШ со временем перекладки 30 с и более. Суда с ВРЩ второй группы обладают пониженными тормозными качествами. Судно с ВРШ выполняет маневр торможения в несколько раз быст­рее (примерно на 15—20%), чем аналогичное судно с винтом фик­сированного шага.

Рассмотренный метод расчета инерционных характеристик суд­на построен на допущении, что в процессе торможения на судно действуют только продольные силы и вплоть до остановки оно со* храняет исходное направление своего движения. Во всех случаях рассматривается только первое уравнение системы (14.2).

Однако испытания показывают, что даже при хороших .погод­ных условиях, отсутствии течения и прямо поставленном руле суд­но перемещается по криволинейной траектории. К моменту полной остановки оно может развернуться даже на обратный курс. Это объясняется появлением поперечной силы на корпусе судна в рай­оне кормовых обводов, когда на него воздействует обратная струя от гребного винта. При реверсе винта правого вращения судно в-большинстве случаев разворачивается вправо.

При выполнении экстренной остановки иногда применяют пере­кладку руля с борта на борт, что может значительно сократить путь в первом и втором периодах торможения. В режиме активно­го торможения судно оказывается фактически неуправляемым.