Влияние силы ветра на управляемость судна

Влияние ветра на судно зависит не только от силы ветра, но и от ряда других факторов, которые необходимо учитывать при управлении судном. Среди этих факторов очень важно отношение осадки к надводному борту. Танкер в балласте может иметь не только в 2 раза большую надводную часть, но и меньшее сопротивление воды из-за малой осадки.

Другим важным фактором, является курсовой угол воздействующего ветра. Более того, надводная часть судна увеличивается с увеличением его дедвейта. Размещение надстройки и изменение дифферента играют существенную роль в формировании надводной части корпуса судна и сказываются на вращательном эффекте. Поперечное и продольное движение суднаПродольное движение судна влияет на относительное расстояние между центром гидравлического давления и точкой поворотливости. Все это играет роль в определении усилия поперечной силы ветра.

Сила ветра

Сила ветра может быть рассчитана:

$0,004\times W\times U^2,$

где:

• W – площадь надводной части, фут²;
• U – скорость ветра, уз.

Сила и направление ветра и скорость судна не остаются постоянными во время маневра. Небольшая погрешность в определении скорости ветра имеет гораздо большее последствие, чем подобная погрешность в оцениваемой площади парусности танкера. Для целей практики будут достаточными следующие приближенные значения при оценке площади надводной части судна:

• W (продольная) = LOA × D – LBP × T_ср (средняя осадка);
• W (поперечная) = B × D – B × T_н (осадка носом), где LOA – длина наибольшая, фут;
• LBP — длина между перпендикулярами, фут;
• B – ширина наибольшая, фут;
• D – высота борта наибольшая, фут.

Для промежуточных положений судна выбираем среднюю между прямо пропорциональной величиной и величиной, пропорциональной синусу угла атаки ветра.

“Ветер является наиболее мощным внешним фактором во всем процессе маневрирования судов. Если ветер сильный, он оказывает значительное влияние на управляемость судна на переднем ходу и сводит на нет все общие правила эволюции на заднем ходу.

Эрдли Р. А. Б. “Лоцманская проводка в гаванях”

Далее рассмотрим действие ветра со скоростью 25 уз на Грузовые помещения и балластные цистернытанкер в балласте дедвейтом 70 тыс. т:

• осадка носом 16 фут, кормой – 26 фут;
• LOA = 800 фут;
• LBP = 765 футов;
• B = 115 футов;
• D = 56 футов;
• мощность двигателя на переднем ходу 20 тыс., на заднем ходу 16 тыс. л. с.

Ветер по носу

На танкер дедвейтом 70 тыс. т ветер скоростью в 25 уз действует силой около 6 тс. До тех пор, пока судно идет прямо против ветра, поперечной составляющей силы ветра нет. Когда судно движется вперед относительно воды, наблюдается хорошая управляемость, а ЦВ находится в носовой части судна (рис. 1).

На заднем ходу судно оказывается в нестабильном равновесии, а ЦВ располагается в кормовой его части. Если появится боковой ветер, то образуется большое плечо до ЦВ и вследствие этого создается значительное усилие к развороту корпуса судна. Поскольку на заднем ходу эффективность руля, небольшая, то для управления судном необходим носовой буксир или НПУ.

Ветер в скулу

При ветре в скулу поперечная составляющая силы ветра будет увеличиваться по мере уваливания судна под ветер. При ветре скоростью 25 уз поперечная сила возрастает примерно с 15 тс при курсовом угле ветра 30° левого борта до 27 тс при курсовом угле ветра 60°. Поперечное и продольное движение суднаПродольная сила ветра уменьшается соответственно примерно с 4 до 2 тс (рис. 2).

При движении вперед судно имеет тенденцию к развороту влево. На заднем ходу более сильная тенденция к уваливанию носа вправо. Только работая машиной вперед и при этом, переместив ЦВ в нос, мы сможем контролировать разворот судна.

Ветер в борт

Бортовой ветер скоростью 25 уз прилагает силу в 36 тс. Ввиду существенного дифферента точка приложения силы находится впереди миделя. Способность буксиров контролировать движение судна, зависит от их мощности и с какого борта они закреплены (рис. 3).

Предположим, что судну помогают два буксира по 2 тыс. л. с. каждый; один – в носовой части, другой – в кормовой. Усилие на гаке буксиров составляет около 35 тс, но при работе назад развивается усилие около 13 тс.

Предлагается к прочтению: Флот освоения континентального шельфа

Если буксиры закреплены с правого борта, то совместными действиями они могут двигать судно против ветра. Работая же задним ходом с левого борта, буксиры не смогут удержать судно. Если буксиры расположены по левому борту, то необходим по меньшей мере один мощный буксир в носовой части судна. Например, буксир мощностью 4 тыс. л. с., имеющий усилие на гаке 65 и 29 тс, при работе назад мог бы совместно с буксиром мощностью 2 тыс. л. с. в корме удержать судно, если мы предотвратим чрезмерные динамические нагрузки на носовые швартовы буксиров.

Когда судно не имеет хода относительно воды и уравновесились силы ветра и буксиров, то создается более или менее устойчивое положение; при котором носовой буксир имеет большую нагрузку, чем кормовой.

При движении судна вперед любой дисбаланс сил корректируется рулем.

Предположим, что точка приложения силы ветра находится в 40 фут в нос от миделя и что носовой буксирный трос закреплен на главной палубе в 150 футах от форштевня; кормовой буксирный трос закреплен на главной палубе в 200 футах от кормы. Будем считать, что при движении судна вперед ЦВ находится в 20 футах от форштевня, что обеспечивает эффективность руля с плечом в 600 фут. Пока носовой буксир сохраняет свое положение, мы можем держать судно под контролем (рис. 4).

При движении судна назад (рис. 5), когда ЦВ находится в кормовой части в 200 футах от кормы, на носовой буксир приходится очень большая нагрузка. Выбор мощности и движительно-рулевого комплекса буксирных судовВращающий момент, создаваемый бортовым ветром, составляет при этом 8 640 т/фут, что требует от носового буксира для контроля ситуации создать усилие в 20 то, поскольку рабочее плечо буксира около 450 фут.

При поперечном смещении судна возникает дополнительная динамическая нагрузка на швартовы буксиров, которая пропорциональна водоизмещению судна и его поперечной скорости.

Возможный разворот вправо должен предупреждаться постоянным наблюдением за поперечным движением. Как только возникает вращательное движение, появляется инерция вращения. Для судна такого размера результирующая нагрузка может значительно превысить мощность носового буксира на заднем ходу и разрывную крепость его концов, если Главная энергетическая установка буксирного суднабуксир натянет их слишком сильно. Отсюда следует, что буксир имеет преимущество в том случае, если он ошвартуется так далеко по носу, как это безопасно для его работы.

В описанной ситуации границы безопасности почти не ощутимы или вообще отсутствуют. Мы не стали бы намеренно ставить судно в такие условия, особенно если течение не по корме. Однако во время швартовки при 20-узловом ветре может быть внезапное его усиление до 25-узлового, когда судно уже подошло к причалу.

Попутный ветер

На рис. 6 показан танкер дедвейтом 7,0 тыс. т в балласте. Ветер попутный со скоростью 30 уз. Необходимо остановить судно, работая машиной назад.

Цифры 1-8 указывают положение судна, через которые оно проходит под воздействием инерции, ветра и двигателя на заднем ходу. Рассмотрим эти позиции.

1. Судно движется вперед относительно воды со скоростью 6 уз, машина застопорена, телеграф поставлен на “Полный назад“;
2. Машина работает полным ходом назад. Поперечная гидродинамическая сила от винта, работающего назад, имеет максимальное значение во время движения вперед и смещает корму влево. Если принять гидродинамическую силу, действующую поперек, равной 5 % эффективной мощности при работе машины назад, это составит около 8 тс;
3. Курсовой угол ветра 135° правого борта, и мы имеем суммарную силу ветра и поперечную гидродинамическую силу, разворачивающую нос судна вправо.
4. Поперечная составляющая силы ветра увеличивается по мере разворота судна. Поперечное гидродинамическое сопротивление в районе левой скулы сместило ЦВ назад;
5. Судно не имеет хода относительно воды, поперечная сила ветра максимальная. Судно движется боком влево;
6. По мере развития судном заднего хода ЦВ сдвигается по направлению кормы. Судно движется прямо назад до тех пор, пока существует баланс поперечной гидродинамической силы от винта и поперечной силы ветра;
7. Когда ЦВ сместится достаточно далеко в корму от миделя, начинается Перетяжка судна вдоль причала и разворот у причаларазворот носа судна влево. Произведение силы ветра и расстояния до ЦВ больше произведения поперечной гидродинамической силы от винта и расстояния до ЦВ (рис. 7). Поперечная сила от винта на этой стадии может быть оценена в 10 % мощности используемого заднего хода;
8. Чем больше движение назад, тем быстрее разворот носовой части влево. С перемещением ЦВ дальше в корму увеличивается момент силы ветра и уменьшается момент поперечной гидродинамической силы от гребного винта.

Постановка судна на СВМ при ветре

Когда танкер дедвейтом 70 тыс. т подходит к швартовным буям против 20 узлового ветра, сила ветра создает 23-тонную нагрузку в момент, когда судно окажется лагом к ветру. Швартовная лебедка на палубе юта создает усилие в 15 тс, лебедка на главной палубе – 12 тс. С правого борта судно удерживают 3 швартовных катера, создающие совместно усилие около 10 тс при работе на упор. Расстояние до швартовного буя таково, что необходимо соединить 2 швартовных троса, чтобы их хватило до буя.

Критическая позиция возникает тогда, когда соединение швартовов достигнет барабана лебедки. Когда один швартов пройдет через барабан, вся нагрузка распределится на другой швартов. Многое зависит от того, сколько времени понадобится экипажу на палубе юта, чтобы соединение прошло через барабан, поскольку Подготовка к швартовым операциямлебедка на главной палубе плюс швартовные катера не смогут удержать судно против ветра (рис. 8).

Если судовой двигатель хорошо реагирует на реверсы, есть возможность помочь этой операции, дать ход вперед, переложить руль право на борт и немедленно дать задний ход. Необходима хорошая связь с помощником на корме, чтобы убедиться, что гребной винт чист при работе двигателя.

При движении назад ЦВ будет находиться в корме и поперечная Планирование рейса суднасила ветра будет иметь тенденцию помогать развороту, необходимому, чтобы судно стало на швартовные буи. На этой стадии очень нежелательно натяжение левой якорной цепи, поскольку это увеличивает нагрузку на кормовые концы ввиду остановки движения кормы, а также препятствует развороту на месте постановки.

Действие бортового ветра на VLCC в грузу

Танкер дедвейтом 250 тыс. т и турбинной СЭУ движется вперед со скоростью 1 уз относительно воды. Машина мощностью 32 тыс. л. с. застопорена. Сильный ветер в борт скоростью 30 уз вызывает разворот судна влево. Руль положен право на борт. Судно находится в положении, когда нельзя дать значительный ход вперед. Что необходимо сделать, чтобы предотвратить разворот? Можно попытаться дать толчок вперед. Только толчок. Никакого результата. Почему? Потому что нельзя увеличивать скорость, и поэтому дали машине ход вперед только на короткое время (рис. 9).

Нет разницы в том, поставлен ли телеграф на “Полный вперед” или “Средний вперед“, потому что промежуток времени работы машины будет очень коротким. В любом случае турбинная установка не наберет более 40 об/мин. Это дает мощность только около 2 тыс. л. с. Предположим, что 50 % упора винта пойдет на развитие поперечной силы на пере руля, это дает нам 50 % от 20 тс или 10 тс, приложенных в корме.

Предположим далее, что ЦВ находится в 0,3L от носа судна, сила ветра приложена в 0,5L от носа, а сила от действия руля – в 1L от носа. Это дает нам: 42 × 0,2L, что больше, чем 10 × 0,7L, или что момент силы ветра больше, чем момент силы от действия руля. Вот почему толчок машиной вперед при руле, переложенном право на борт, не остановил разворот влево. Сила поперечного сопротивления в носовой части судна с правого борта также помогает развороту влево (рис. 10).

Что произойдет, если машине будет дан ход назад? Вычисление маневренности маломерного судна на криволинейной траекторииСкорость судна начнет падать, ЦВ начнет смещаться в корму, а момент силы ветра будет уменьшаться до нуля в момент полной остановки судна относительно воды. В это время влияние бортового ветра будет выражаться в поперечном смещении судна. Отсюда следует, что поперечная гидродинамическая сила от винта развернет корму на ветер, прежде чем судно полностью остановится.

Постановка судна на один швартовный буй при ветре

В непосредственной близости от буя, когда скорость судна относительно буя должна быть нулевой, полезно иметь течение по носу с тем, чтобы при движении вперед относительно воды удерживать ЦВ впереди. При этом необходимо предотвращать развитие ситуации, когда судно будет стремиться к движению назад относительно воды. Поскольку движение назад смещает ЦВ в корму, поперечная сила ветра создает большее усилие на корпусе. При сильном ветре по носу становиться на буй трудно, поскольку невозможно удержать судно в неустойчивом равновесии (рис. 11).

В случае отсутствия течения следует подходить с минимальной скоростью. Для того чтобы удерживать судно на курсе, разумно использовать толчки машинами вперед с перекладкой руля на борт. При нулевой скорости одна часть эффективной мощности движителя будет поглощаться инерцией, другая часть – продольными силами ветра и зыби. Судно, закрепленное к бую, будет, вероятно, отходить от буя и снова приближаться к нему. В этом случае необходимо использовать дачу хода вперед с полной перекладкой руля. Преимущество полной перекладки руля состоит не только в том, что часть пропульсивной силы винта влияет на отклонение судна и вследствие этого не используется для движения вперед, но также и в том, что поперечная сила руля помогает удерживать ЦВ в носовой части и тем самым сохранять величину рычага поперечной силы ветра. Поворачиваясь на ветер, мы уменьшаем одновременно поперечную силу ветра и таким путем медленно приводим судно на его носовой швартов, не создавая резких нагрузок на швартовный клюз.

Читайте также: Определение корпусных характеристик в момент взаимодействия судна с водной поверхностью

Когда ветер и течение действуют с разных направлений, необходимо соблюсти баланс между ветром и течением, чтобы удерживать судно в непосредственной близости от буя достаточное время для его закрепления. На рис. 12 VLCC в балласте подходит курсом примерно между, направлениями ветра и течения. Расстояние до буя составляет приблизительно длину судна, скорость относительно грунта 0,5 уз (по доплеровскому лагу), судно медленно разворачивается вправо, руль положен лево на борт, машина застопорена.

Вместо того чтобы давать толчок машинами вперед при руле, переложенном лево на борт, лучше погасить всю скорость и посмотреть, как поведет себя судно, когда доплеровский лаг покажет нулевую скорость относительно грунта. Если течения нет или оно мало, нос судна будет сноситься влево. Это означает, что вблизи буя мы не будем иметь возможности сохранить этот курс и должны будем развернуться больше вправо, на ветер. Так как расстояние до буя еще достаточное, мы можем дать ход вперед, переложив руль право на борт с тем, чтобы уменьшить курсовой угол ветра.

Если, с другой стороны, судно сохраняет свой курс при нулевой скорости относительно грунта, это значит, что судно движется вперед относительно воды. В этом случае ЦВ все еще находится впереди, и когда мы будем в такой же ситуации вблизи буя, то сможем продолжить приближение к бую на прежнем курсе.

Чтобы судно разворачивалось влево, мы позволим ветру и дальше сносить нос судна до момента, когда судно двинется назад относительно воды. На финальной стадии приближения, когда буй окажется под носом и не будет виден, особенно полезен индикатор скорости поворота, указывающий о наличии вращательного движения сразу же после его возникновения.

На рис. 13 видно, как ветер и течение уравновесились с силой натяжения швартовного троса таким образом, что судно удерживается перпендикулярно ветру.

Автор статьи

Владимир Филатов

Старший помощник капитана

Список литературы

1. Аrdleу, R. А. В. Harbour Pilota­ ge. London: Faber & Faber, 1952.
2. Armstrong, M. C. Practical Shih Handling. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1980.
3. Вaer, W . Assessment of Tug Performance. London: International Tug Conference, 1969.
4. Вarlett — Prince, W. Pilot Take Charge. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1956.
5. Bowditch Nathanial, original author. American Practical Navigator: An Epitome of Navigation. Washington, D. C.: U. S. Government Printing Office, 1977.
6. Celerier, Plerre, La Manoeuvre des Navires. Presses Universitalres de France, 1955.
7. Cockcroft, A. N. Nicholls’s Seamanship and Nautical Knowtesge. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1979.
8. Cotter, С. H. The Master and His Ship. London: Maritime Press, 1962.
9. Grenshaw, R. S. Naval Ship-handling. Annapolis: Naval Institute Press, 1975.
10. Danton, G. L. The Theory of Practice of Seamanship. New York: St. Martin, 1965.
11. English, J. W. and B. N. Steel. “The Performance of Lateral Thrust for Ship as Affected by Forward Speed and Proximity of a Wall”. London: N. P. L. Ship Division Report SH R28/62, 1962.
12. Helmers, Kapt. W. “Messergebnisse von wichtige Manoevriereigenschaften”. Hansa (November-December 1961).
13. Laуtоn, C. W . T . Dictionary of Nautical Words and Terms. Glasgow: Brown, Son and Ferguson, 1958.
14. Loraht, Michael. “Investigation into High Speed of Underwater Craft”. Nautical Magazine, vol. 200: 5. 1968.
15. Nоrdstrоm, H . F. Screw Propeller Characteristics. Stockholm: Publications of the Swedish State Shihbuildihg Experimental Tank, 1948.
16. Pierens, C . “Draaicirkels”. De Zee, nos. 4-5 (April-May 1970).
17. Plummer, C. J. Ship Handling in Narrow Channels. Cambridge: Cornell Maritime Press, 1966.
18. Sjosirom, Carl H. Effect of Shallow Water on Speed and Trim. New York: S. N. A. M. E., 1965.
19. Stunz, C. R. and R. J. Taуler. Some Aspects of Bow Thruster Desing. New York: S. N. A. M. E., 1965.
20. Terrell Mark. “Anchors A New Approach” Fairplay International Shipping Journal, no. 4, 624, 1972.
21. Troti, B. “Waves, Flow and Drag”. Nauticai Magazine, vol. 206: 6, 1971.
22. Willertоn, P. F. Basic Ship­ handling for Masters, Mates and Pilots. London: Stanford Maritime, 1980.
23. Woerdemann, F. Dampfermanoever. Berlin, Frankfurt/M: Mittler, 1958.
24. Zeevaarikundig Tijdschrift De Zee. Raad voor de Scheepvaart (Shipping Council) reports on collisions in the Amsterdam North Sea Canal: 1964, 4; 1965, 4; 1966, 6; 1970, 7 .