Расчет непотопляемости судна

ВВЕДЕНИЕ

 

Курсовая работа по дисциплине «Теория, устройство и борьба за живучесть судна» является заключительным этапом изучения дисциплины. Цель курсовой работы – закрепить теоретические знания курсантов и научить их самостоятельно работать с учебной литературой, руководящими документами по живучести судна и другими нормативными документами, правильно принимать полученные знания в своей дальнейшей практической деятельности.

В пояснительной записке  дается теоретическое, расчетное обоснование  принятых в работе решений, все выкладки сопровождаются необходимыми чертежами, схемами, графиками, диаграммами. Структура  и содержание пояснительной записки  определяются в зависимости от профиля  специальности и задания на работу, выданного руководителем.

 

Определение элементов  судна 

Если в задании не указаны  водоизмещение судна и площадь  ватерлинии, их величину можно рассчитать, используя следующие зависимости:

	(1)
	(2)

где δ - коэффициент общей полноты;

α - коэффициент полноты ватерлинии;

V - водоизмещение судна;

S - площадь ватерлинии;

L, B, T - длина, ширина и осадка судна.

Соответственно объемное водоизмещение и площадь ватерлинии судна находятся по формулам:

	(3)
	(4)

При условии не определенных в задании параметров посадки  судна, можно допустить, что первоначально (до аварии, бункеровки) судно находилось на ровном киле, т.е. не имело ни крена, ни дифферента.

 

Расчет количества воды, поступающей в аварийный  отсек через пробоину

Количество воды, поступающей в отсек через пробоину определяется по формулам:

[м3/с],	(5)
[м3/мин.],	(6)

где F - площадь пробоины, м²;

F =	- если пробоина круглая, м2;
	0,785 Dпр Bпр - если пробоина элипсообразная, м2;
	Dпр Bпр – если пробоина прямоугольная, м2.

D_пр – диаметр (длина вдоль корпуса) пробоины, м;

B_пр – ширина пробоины, м;

m = 0,65÷0,75 - коэффициент расхода (для больших пробоин значение коэффициента больше);

g = 9,81 м/с² -ускорение свободного падения;

H_в - напор столба воды от ВЛ до центра пробоины, м вод.ст.

При переменном напоре вместо H_в следует подставлять (H_в - h_в) - разность между уровнями ватерлинии и воды в отсеке над центром пробоины (рис. 1).

 

Рисунок 1 - Затопление отсека: а – при постоянном напоре; б – при переменном напоре.

В справочниках значения Q в  зависимости от F и H_в даются в виде графиков или таблиц. Если пробоина бортовая, то процесс затопления отсека состоит из двух периодов: затопления объема V₁ (от днища до центра пробоины) и затопления объема V₂ (от центра пробоины до ватерлинии).

Продолжительность первого  периода в минутах равна

,

(7)

Во втором периоде гидростатический напор (Н_в - h_в) является переменной величиной. Его значение зависит от высоты воды в отсеке над пробоиной h_в. Время затопления верхней части отсека рассчитывается по формуле:

.

(8)

Общее время затопления отсека до ватерлинии в минутах

.

(9)

Если пробоина днищевая, то

,

(10)

где V - объем отсека от днища до ватерлинии (V=V₁+V₂).

Как бы ни были мощны водоотливные средства судна, они не в состоянии справиться с откачкой воды, вливающейся в отсек даже через среднюю пробоину.

Расчеты показывают, что  через пробоину площадью F=0,2  м² (при Æ_проб » 0,5 м), расположенную на глубине H_в = 4 м, интенсивность поступления воды в отсек будет равна 55 м³/мин., или 3300 м³/ч, а при пробоине F = 1 м² (при Æ_проб » 1,13 м) - 320 м³/мин., или 19000 м³/ч. В то же время самые мощные водоотливные средства имеют подачу не более 600 т/ч (или 10 т/мин.).

Пусть, например, объем отсека от днища до центра пробоины V₁ = 100 м³, а объем от центра пробоины до ватерлинии V₂ = 250 м³. Тогда при F = 1 м² и Hв = 4 м время затопления отсека по ватерлинию будет

[мин.]

Ясно, что за это время  невозможно ни заделать пробоину, ни обеспечить водоотлив. Наибольшая площадь пробоины, при которой водоотливной насос еще будет в состоянии справиться с поступающей водой, определяется:

[м2],

(11)

где Q_вон – объемная подача водоотливного насоса [м³/ч].

Располагаемое время для  заделки пробоины при работающем водоотливном насосе:

t1 = V1/60(Q - Qвон) [мин.]

(12)

Чем больше пробоина и напор  воды, тем большие усилия необходимо прикладывать для постановки пластыря. Один человек способен преодолеть сопротивление  струи воды силой 700÷800 Н (70÷80 кгс).

Гидродинамическое давление водяной струи

(Н, кгс),  или [кН],

(13)

где j - коэффициент местного сопротивления, близкий к единице;

F - площадь пробоины, м²;

H_в - напор столба воды от ватерлинии до центра пробоины, м вод. ст.;

r = 9,8×1025 Н/м³ (γ = 1025 кг/м³) - удельный (объемный) вес забортной воды.

Гидростатическое давление на установленный пластырь

[Н, кгс], или [кН],

(14)

где F_пл - площадь пластыря или другой заделки, м².

Количество людей для  заделки пробоин и прочность  пластырей должны соответствовать  динамическому и статическому давлению воды.

Если принять, что в  среднем человек способен сдержать напор равный более 500 Н (50 кгс), то расчетное  количество людей, необходимое для  преодоления динамического напора воды, равно:

Nлс ≥ 2Рдин.

(15)

 

Определение параметров посадки  судна после аварии

Посадка судна - это положение  относительно поверхности спокойной  воды, которое характеризуется углом  крена q, углом дифферента Ψ, дифферентом Δ, осадками Т_н, Т_к, Т_ср.

В зависимости от характера затопления отсеки и цистерны разделяются на три категории.

Отсеки I категории - отсеки полностью затопленные водой; они  закрыты сверху, могут сообщаться или не сообщаться с забортной  водой. Такие отсеки расположены, как  правило, ниже ватерлинии и поэтому повышают начальную остойчивость (см. рисунок 2).

Отсеки II категории –  отсеки, заполненные частично (имеют  свободную поверхность) и не сообщаются с забортной водой. Такое затопление возможно при тушении пожаров  водой, при повреждении трубопроводов, при фильтрации воды из смежных отсеков  или через неплотно заделанные пробоины. Остойчивость корабля понижается из-за свободной поверхности жидкости и приема воды выше ватерлинии.

 

Рисунок 2 - Схема классификации затопленных отсеков.

Отсеки III категории –  отсеки, имеющие свободную поверхность  и сообщающиеся с забортной водой. Уровень воды в них всегда будет  на одном уровне с действующей  ватерлинии. Остойчивость корабля снижается из-за влияния свободной поверхности и из-за возможного принятия новых порций воды при наклонении.

Затопление отсеков всех категорий увеличивает Т_ср и уменьшает запас плавучести. При несимметричном затоплении отсеков любых категорий судно получает крен и дифферент.

Запас плавучести (А) – это  непроницаемый объем корпуса  от действующей ватерлинии до верхней непроницаемой палубы, включая объем полубака. Надстройки в запас плавучести не входят. Запас плавучести определяет определенный объем воды, при поступлении которой внутрь корпуса судно еще остается на плаву. Это основной фактор, обеспечивающий непотопляемость судна.

Для неповрежденного судна

,

(16)

где V_вп - объем корпуса до верхней непроницаемой палубы.

Об остаточном запасе плавучести судна можно также судить по величине условной средней высоты надводного борта.

При запасе плавучести численно равному значению 30% и менее А₀ а также при высоте надводного борта менее 0,2÷0,4 м, положение поврежденного судна следует считать тяжелым.

В зависимости от категории затопленного отсека расчёт элементов остойчивости и посадки судна производится по совершенно разным формулам и зависит от метода расчёта.

При затоплении отсека первой категории вес заполнившей его воды может рассматриваться, как приятый на судно твёрдый груз и расчёт элементов остойчивости и посадки судна производится по тем же формулам, как и перед приёмом на борт твёрдого груза.

В случае затопления отсека второй категории вода в них может  рассматриваться, как принятый на судно жидкий груз. При этом должно быть учтено влияние свободной поверхности жидкости. В этом случае элементы посадки и остойчивости судна рассчитывают по формулам, соответствующим случаю загрузки на судно жидкого груза со свободной поверхностью.

При затоплении отсека третьей  категории для расчёта элементов  посадки и остойчивости судна  применяется метод  постоянного  водоизмещения. Объем воды в затопленном отсеке исключается из запаса плавучести судна. При этом водоизмещение судна и положение его центра тяжести остаются такими же, как и до аварии, а изменяются форма подводного объема  и средняя осадка судна.

Если принять, что в  пределах изменения осадки (ΔТ) борта судна остаются прямостенными, то дополнительный объём, заключенный между старой и новой  ватерлиниями будет равен произведению площади новой ватерлинии на величину   изменения осадки:

(17)

С другой стороны, этот объём  равен объёму затопленного отсека,  который можно рассчитать по формуле:

(18)

где l, b - длина и ширина затопленного отсека.

Так как эти объёмы равны, то можно приравнять их правые части. Отсюда изменения осадки можно рассчитать по формуле:

.

(19)

Площадь новой ватерлинии определяется по формуле:

,

(20)

где  S – первоначальная площадь ватерлинии;

- площадь потерянной ватерлинии (площадь затопленного отсека на уровне ватерлинии).

Изменение продольной и поперечной метацентрических высот определяется по формулам:

(21)

 

(22)

где - моменты инерции потерянной ватерлинии относительно продольной и поперечной осей.

Моменты инерции потерянной ватерлинии рассчитываются по  зависимостям:

(23) (24)

где - моменты инерции свободной поверхности воды затопленного отсека относительно продольной и поперечной осей, проходящих через центр тяжести этого отсека;

- координаты центра тяжести  площади новой ватерлинии относительно  продольной и поперечной осей.