Оценка и учет влияния инерционных свойств жидкого груза на безопасное маневрирование танкера
На правах рукописи
Пилюгин Алексей Геннадьевич ОЦЕНКА И УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖИДКОГО ГРУЗА НА БЕЗОПАСНОЕ МАНЕВРИРОВАНИЕ ТАНКЕРА 05.22.19 – Эксплуатация водного транспорта, судовождение
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток 2009
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учрежде нии высшего профессионального образования «Морской государственный уни верситет имени адмирала Г. И. Невельского» (г. Владивосток).
Научный консультант: доктор технических наук, доцент Москаленко Михаил Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент Лентарев Александр Андреевич кандидат технических наук, доцент Карпушин Иван Сергеевич
Ведущая организация: ОАО "Дальневосточный научно – исследователь ский, проектно – изыскательский и конструкторско – технологический инсти тут морского флота" (ОАО ДНИИМФ)
Защита состоится 16 декабря 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 223.005.01 при Морском государственном университете имени адми рала Г. И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а, ауд. 241 УК-1, тел/факс (4232) 414-968.
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале УК-1 Морского государ ственного университете имени адмирала Г. И. Невельского.
Автореферат разослан 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета А. Г. Резник ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность диссертационного исследования. В настоящее время, несмотря на развитие науки и накопленного опыта управления движением суд на, наличием на современных судах высоконадежной техники для судовой на вигации, из-за проявлений инерционности судна, управление его движением в зоне маневрирования до сих пор осуществляется «на глазок» капитана и лоцма на. Объясняется это, прежде всего тем, что существующие модели движения судна не учитывают многие факторы влияния внешней среды. В результате в мировом судоходстве довольно часто происходят тяжелые аварии, сопровож дающиеся человеческими жертвами и экологическими катастрофами в зонах интенсивного судоходства. В связи с этим сейчас одной из важнейших про блем, связанных с управлением судов, является выявление и оценка всевоз можных факторов, влияющих на траекторию движения судна при маневриро вании.
Краткий обзор литературы. Решению этой проблемы посвящены осно вополагающие исследования многих отечественных и зарубежных специали стов в области маневрирования судов: Ананьева Д. М., Бакаева В. Г., Баси на А. М., Войткунского Я. И., Герман – Шахлы Ю. Г., Гофмана А. Д., Демьяно ва В. В., Ерыгина В. В., Зуйкова О. Т., Завьялова В. С., Знамеровского Б. И., Зуйкова С. Т., Кондратьева С. И., Карнараки В. А., Палмера К. Дж., Погосо ва С. Г., Першица Р. Я., Ремеза Ю. В., Родионова А. И., Соларева Н. Ф., Сноп кова В. И., Сорокина Н. А., Тихомирова В. И., Титова К. А., Таратынова В. П., Удалова В. И., Clyton B. K., Bishop R. F., Gilmer T. C., Okada S. и др.
Разработки названых авторов изучены. Они послужили основой для по строения новых и уточнения существующих моделей маневрирования крупно тоннажных танкеров. Однако среди них нет теоретических исследований и практических разработок, касающихся маневрирования супертанкеров при на личии на этих судах жидкого (вязкого) груза со свободной поверхностью. По этому сейчас для совершенствования систем управляемости и существующих математических моделей движения танкеров в зоне маневрирования требуется разработки, позволяющие уточнять существующие модели управления крупно тоннажными танкерами.
В связи с изложенным можно считать, что рассматриваемая тема диссер тационного исследования, направленная на изучение влияния инерционных свойств жидкого груза на маневренные элементы крупнотоннажного танкера, является актуальной как для науки, так и для практики.
Цель диссертационной работы состоит в повышении безопасности ма неврирования танкеров с учетом проявления инерционности жидкого груза.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
1. Анализ существующих схем маневрирования крупнотоннажных танкеров в различных условиях их эксплуатации.
2. Исследование причин и систематизация навигационных аварий крупно тоннажных танкеров.
3. Классификация танкеров в зависимости от существующих средств управ ления.
4. Определение сил и моментов, влияющих на траекторию движения судна при маневрировании.
5. Экспериментальная оценка проявлений инерционности жидкого вязкого груза со свободной поверхностью.
6. Корректировка математической модели судна по данным натурных испы таний.
7. Разработка теоретически обоснованных и экспериментально проверенных рекомендаций по управлению движением судна при проявлении инерционно сти груза.
8. Разработка алгоритма расчета маневренных элементов судна с учетом проявления инерционности груза.
Область исследования – разработка методов и систем обеспечения безо пасности плавания в современных условиях судоходства.
Объектом исследования является безопасность мореплавания.
Предмет исследования – безопасность мореплавания крупнотоннажного танкера.
Научная новизна работы заключается в следующих результатах:
• выявлено заметное влияние на инерционные качества судна смещения в грузовых танках жидкого (вязкого) груза.
• систематизированы аварийные случаи с танкерами, произошедшие из–за неучёта проявлений инерционности жидкого груза в танках танкера.
• выполнены натурные эксперименты, позволившие оценить степень влияния жидкого груза на маневренные элементы танкера.
• разработана методика определения времени окончания маневренного пе риода и одерживания.
Достоверность результатов определяется корректностью применения хорошо апробированного математического аппарата при разработке математи ческой модели маневра крупнотоннажного танкера и при обработке экспери ментальных данных.
Практическая ценность. Разработанные модели маневрирования судов с учётом инерционности жидкого груза позволят снизить аварийность сущест вующего танкерного флота. Предлагаемые методики учёта проявления стохас тизма инерции жидкого груза могут быть применимы для корректировки суще ствующих математических моделей.
Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы обсуждалась и получили одобрение на седьмой Всероссийской научно практической конференции «Актуальные проблемы экономики и управления на транспорте» 22 мая 2009 (г. Владивосток), восьмой международной научно практической конференции. «Проблемы транспорта Дальнего Востока» 30 сен тября – 2 октября 2009 г. (г. Владивосток).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 5 работ, в том числе одна из них опубликована в журнале, рекомендуемом ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Список литературы содержит 103 наименова ния.
Работа изложена на 176 страницах машинописного текста, содержит таблиц, 66 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, оценивается степень её разработанности, определяется цель и основные задачи исследования, определяется объект и предмет исследования, сформулирована научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе рассматриваются существующие схемы маневрирования крупнотоннажных танкеров в различных условиях их эксплуатации. Квалифи цированы причины аварий танкеров. Выполнен анализ причины аварий танке ров «Кривбасс» и «Хуан Антонио Мендес» по материалам официальных рас следований. Показано, что в классической теории корабля отсутствуют объяс нения причин и методики количественной оценки влияния инерции жидкого груза на маневренные элементы танкера.
Во второй главе представлена классификация танкеров по типу средств управления. Также рассмотрены типы главных средства управления (ГСУ) и вспомогательных средств управления (ВСУ), использующихся на всех типах танкеров, включая танкера ледового класса нового поколения. Выполнен ана лиз формулы для расчетов сил и моментов от средств управления.
Произведена классификация танкеров по типу и количеству средств управления, рассмотрены различные схемы маневрирования танкеров в швар товном режиме с использованием имеющихся на судне средств управления.
В третьей главе рассмотрены математические модели движения судна под действием движительно-рулевого комплекса (ДРК).
Общая математическая модель управляемого движения судна представ ляет собой систему дифференциальных уравнений, посредством которой при подстановке в неё соответствующих характеристик судна и внешних воздейст вий можно описать произвольное движение заданного судна. Основным требо ванием, предъявляемым к математической модели, является адекватность изо бражаемого ею движения действительному движению натурного судна. Сте пень этой адекватности зависит от структуры модели, т.е. полноты включения в неё всех известных факторов, определяющих движение судна. В общем случае криволинейного движения судно обладает шестью степенями свободы.
Следует добавить, что ДРК в своем управляющем воздействии на судно мало чувствителен как к крену, так и к дифференту. Поэтому в настоящей рабо те используется общепринятое в теории управляемости водоизмещающих су дов представление о плоском движении судна в горизонтальной плоскости.
В соответствии с этим представлением в качестве общей математической модели движения судна рассматривается система трех нелинейных дифферен циальных уравнений, дополняемая уравнениями вращения гребных винтов и перекладки рулей.
Для определения положения судна в пространстве и составляющих дей ствующих на него сил вводятся четыре системы координат (рис. 1).
Рис. 1. Системы координат: А – 01;
В – 0xyz;
C – 0x1y1z1;
D – 0ГxГyГzГ Система А – неподвижная, связанная с землей прямоугольная левая сис тема координат 01. В момент времени t = 0 начало системы 01 совпадает с центром тяжести судна. Ось 01 направлена на север, ось 01 – на восток.
Система В – подвижная, связанная с судном прямоугольная левая система координат 0xy с началом 0 в центре тяжести судна. Ось 0x направлена в нос судна по линии пересечения плоскости ватерлинии и диаметральной плоскости, ось 0y – на правый борт.
Система С – подвижная, поточная, связанная с вектором линейной скоро сти центра тяжести судна прямоугольная левая система координат 0x1y1 с на чалом 0 в ЦТ судна. Ось 0x1 направлена вдоль вектора скорости ЦТ судна, ось 0y1 – на правый борт.
Система D – подвижная, связанная с судном прямоугольная правая сис тема 0ГxГyГ с началом 0 в месте расположения ДРК. Ось 0ГxГ направлена в нос судна, ось 0ГyГ – в левый борт. Угол перекладки считается положительным на правый борт (против часовой стрелки).
Дополнительными параметрами, характеризующими положение судна в пространстве и взаимное положение систем А, В и С, служат следующие вели чины:
В системе А: – угол курса судна, т. е. угол между осью 01 и диамет ральной плоскостью судна;
– угол скорости судна, т. е. угол между осью и вектором скорости ЦТ судна. Положительное направление отсчета обоих углов – по часовой стрелке;
В системе В: – угол дрейфа в ЦТ судна, т. е. угол между осью 0x и век тором скорости ЦТ судна (осью 0x1). Положительное направление отсчета уг ла дрейфа принимается против часовой стрелки.
Исследование управляемости судна ведется, как правило, в связанной с судном системе координат В, так как при этом значения присоединенных масс и моментов инерции воды не зависят от параметров движения судна. Соответ ственно в системе В производится определение всех сил, действующих на под водную и надводную части корпуса судна. К системе В примыкает система D, в которой определяются силы, развиваемые ДРК судна.
Выбор для ДРК отдельной правой системы координат, в отличие от левых систем, принятых для судна в целом (системы А, В, С), определяется соображе ниями удобства построения математической модели движения судна. Считает ся, что при таком выборе систем координат, судно совершает положительную циркуляцию на правый борт с 0, 0, при положительном угле перекладки 0 и соответствующей ему положительной поперечной силе ДРК YR 0.
В канонической форме общую безразмерную математическую модель движения судна записывают в виде следующей системы дифференциальных уравнений первого порядка:
m d m = 2 26 Cm sin 66 C y sin + C x cos ;
d M M m11 m d m 1 = 26 Cm cos 66 C y cos + C x sin ;
d M M m11 d m m = 2 26 Cm 26 C y ;
(1) d M M dni mL = Bi n 0 n 2 ( i Qi ) ;
d 0 d i = f,, dt где z X = C X a k2 C Xa m sin + ui ' Ri Ei (1 t 'i ) + xi ;
i = z = CY + a k2 CYa m cos vi ' Ri ( Ri yi + yEi );
(2) i = z m = C m + a k2 ( C ma + CYa xG ) vi ' Ri Ei ( Ri Ei yi + yE i );
i = M = m22 m66 m26. Полученные в результате решения систем уравнений (12) параметры движения судна,, могут быть использованы для построения траектории произвольного движения судна и его положения в системе координат А.
Одерживание поворота – один из основных маневров, постоянно исполь зуемых судоводителями в практике эксплуатации судна. В общем случае одер живание поворота производится судоводителем в процессе неустановившегося движения судна и завершается при угловой скорости вращения судна 0.
Численно маневр одерживания поворота может быть охарактеризован двумя критериями: t1 – временем одерживания, т. е. временем от начала пере кладки руля для одерживания до момента прекращения вращения судна = 0, и 1 – углом зарыскивания, т. е. углом, на который успеет повернуться судно в направлении исходного вращения за время t1 с момента начала перекладки руля для одерживания до момента прекращения вращения судна и перехода к вра щению на противоположный борт. Для данного судна процесс одерживания и характеризующие его численные критерии t1 и 1 полностью определяются двумя параметрами: углом перекладки руля вх, с которым совершается устано вившаяся циркуляция и углом перекладки руля вых, с помощью которого осу ществляется вывод судна из циркуляции.
В соответствии с рекомендациями Кемпфа маневр «зигзаг» выполняется путем последовательного ввода судна с прямого курса в поворот с помощью перекладки руля на угол 3 и затем вывода его из этого поворота по достижении судном угла курса 3 с помощью перекладки руля на угол 3 противоположно го борта. Во всех случаях параметры маневра «зигзаг» обозначаются в виде дроби, числителем которой служит угол перекладки 3, а знаменателем угол курса 3. Зигзаг Кемпфа имеет обозначение в виде дроби с равным числителем и знаменателем, например 10/10, 20/20. Исследование движения судна при «Зигзаге Кемпфа», выполненное В. И. Коганом, показало, что у судов с доста точно высокой поворотливостью к моменту начала одерживания параметры движения и достигают своих установившихся значений, а падение линей ной скорости и соответственно размерная угловая скорость отличаются от своих значений на 8–11 %.
Таким образом, «Зигзаг Кемпфа» можно рассматривать как периодиче скую последовательность входов в установившуюся циркуляцию и выходов из неё и использовать этот маневр для оценки способности судна к одерживанию поворота наряду с непосредственным выводом судна из установившейся цир куляции.
Исследование движения судна в процессе одерживания поворота, показа ло, что угловое ускорение судна в ходе перекладки руля изменяется по линей ному закону, а по окончании перекладки руля становится близким к постоян ному. Это позволяет аппроксимировать угловое ускорение судна при одержи вании поворота кусочно–линейной зависимостью:
= t при ttn;
const при ttn, (3) где tn – время полной перекладки руля. Как правило, перекладка руля происхо дит с постоянной угловой скоростью = const, (рад/с), так, что (4) tn = (вх – вых )/ Очевидно, что линейный характер развития углового ускорения судна во времени в процессе одерживания при t t n является следствием линейности во времени суммарного момента М = М R + M Г действующего на судно и состоя щего из момента сил, развиваемых ДРК относительно миделя MR и гидродина мического момента MГ, развивающегося на корпусе судна.
Более детальный анализ процесса одерживания судна показывает, что оба составляющие суммарного момента MR и MГ также линейны во времени.
Рис. 2. Характер изменения во времени моментов в ходе одерживания поворота судна а) t1 tn ;
б) t1 tn Характер изменения моментов во времени в процессе одерживания судна показан на рис. 2 а для случая, когда одерживание завершается до окончания перекладки руля ( t1 tn ), и на рис. 2 б, когда одерживание завершается после перекладки руля ( t1 tn ). На рис.2 приняты обозначения: MR0 и MГ0 – равные по величине (и противоположные по знаку) значения моментов MR и MГ на уста новившейся циркуляции;
MR1, MГ1 – значения моментов при завершении одер 1 живания = 0;
М R, М Г – значения моментов при завершении перекладки в случае t1 tn.
Линейный во времени характер суммарного момента М и моментов MR и MГ при одерживании поворота позволяет получить простые приближенные за висимости для расчета численных значений критериев t1 и 1.
Случай 1. Одерживание завершается до окончания перекладки руля ( t1 tn ) ( C1 0) ;
= Ct = c ( Ct 2 2) + c ;
(5) = ct ( Ct3 6), где с – размерная угловая скорость судна на установившейся циркуляции, т.е.
до начала одерживания поворота, рад/с.
При t = t1 следует, что С1 = ( M R + M Г ) t1 ( I z + 66 ). (6) Из второго уравнения (5) при t = t1, = 0 следует (7) t1 = 2c / C.
Исключив из (5) величину C1, получим 2 ( I Z + 66 ) (8) t1 =.
M R1 + М Г Для определения входящих в (8) значений M R1 и M Г1 принимается при ближенное соотношение между углом дрейфа на установившейся циркуляции c и углом дрейфа в момент завершения одерживания 1 0,58с. (9) В этом случае М Г0 = M R 0 = ( 0 2) c L2d ( C c + C c + C c ) ;
(10) 2 m m m М Г1 = ( 0 2 ) c L2 d C m c 2;
(11) 2 ( 2) A (12) + с 2 t1, M R1 = z lR 2 н 0 Y вх н 0 c где 0 – скорость судна до входа в циркуляцию c. Ввиду того, что местный угол дрейфа c в корме в районе ДРК при одерживании обычно очень велик, здесь всюду принимается = 0.
Подставив (11) и (12) в выражение (8) и упростив его, получим квадрат ное уравнение для определения искомого времени одерживания: t12 2 At1 B = 0. (13) Случай 2. Одерживание завершается после окончания перекладки руля, t1 t n В этом случае движение судна разбивается на два периода (рис. 2. б): от начала перекладки руля продолжительностью tn и от окончания перекладки ру ля до завершения одерживания продолжительностью t1 – tn.
Уравнение движения судна в первом периоде по форме совпадают с (5) ( C1 0 ) ;
= C1t = c ( C1t 2 2 ) ;
(14) = ct ( C1t 3 6 ), где C1 = ( M R + M Г ) tn ( I z + 66 ). (15) 1 После завершения перекладки руля для одерживания поперечная сила ДРК, вследствие работы его в заведомо срывном режиме остается практически неизменной вплоть до завершения одерживания M R = M R1. Для гидродинамического момента на корпусе судна (рис. 2. б) M R = M U 0 + ( М Г1 М Г0 ) t1 tn, (16) Здесь величины M ГО и М Г находят по формулам (10) и (11), а величину М Г1 – по формуле (12) при t1 – tn или с помощью выражения М Г 1 = z lR ( 0 2 ) c 2 A0 Y ( 2 ) вх. (17) c Y t1 = tn:
В конце первого периода при ( C1 0 ) ;
= C1t = c ( C1t 2 ) ;
(18) = ct ( C1t 3 6 ), В конце второго периода, т. е. к моменту завершения одерживания, = C1tn + C2 ( t1 tn ), C2 ( t1 tn ) C1t 2n (19) C1tn ( t1 tn ) + = c ;
2 C ( t tn ) C ( t tn ) C t 3n C t 2n = ctn 1 + c 1 ( t1 tn ) 1 1 +21.
6 2 2 Подставив (13) и (16) во второе уравнение (19), получим выражение для определения искомого времени одерживания t1:
t1 = c + ( A1t n 2 ) A1 + ( A1 2 ). (20) В четвёртой главе рассмотрен механизм проявления инерционности жидкого груза, и проанализированы результаты экспериментальных исследова ниях влияния момента инерции свободной поверхности жидкого груза на тра екторию маневрирования крупнотоннажного танкера. Предложена методика определения окончания времени одерживания танкера с использованием гра фика зигзага. Рассматривается загруженный танкер, совершающий маневр "циркуляция на правый борт" как система «судно–жидкий груз» Рис. 3. Перемещение центра тяжести Рис. 4. Схема образования вектора жидкого груза в начале маневренного инерции Iy жидкого груза в периода циркуляции. начале маневренного периода.
Полагается, что жидкий груз в танках со свободной поверхностью нахо дится под действием силы тяжести Рg и силы инерции Min. Когда система «суд но–жидкий груз» находится в состоянии маневрирования, груз под действием силы инерции стремится остаться в состоянии предыдущего движения, в кото ром система находилась до начала маневра, при этом ЦТ груза в танке какое-то время остается неподвижным по отношению к оси О системы А, но при этом изменяет положение относительно оси Оу системы В, так как судно начинает маневрировать под действием поперечной силы ДРК (рис. 3).
Из-за этого координата y центра тяжести груза В переместится под дейст вием силы инерции в положение В1, и свободная поверхность в танке из-за пе ремещения объема жидкого груза под действием инерции и силы тяжести по лучит наклонение на некоторый угол (рис. 4).
Разложив вектор перемещения центра тяжести ВВ1 на составляющие век тора получим:
1) Вектор ВR – поправка к метацентрическому радиусу, так как перемеще ние жидкого груза под действием силы инерции сопоставимо с влиянием мо мента от переливания жидкого груза со свободной поверхностью под действи ем крена на остойчивость судна i i M B = Г g cos I z cos d + sin I z cos d, 0 где Г – плотность жидкого груза;
Iz – момент инерции площади свободной по верхности жидкого груза в танке относительно собственной продольной цен тральной оси при текущем значении угла крена;
l = Mв /D.
Поправку Mв так же вводят в формулу исправленного момента остойчи вости формы с учетом влияния жидкого груза ii i ( Г I x Г I x ) cos d + sin i ( Г I x Г I x ) sin d.
M B = cos i 0 Тогда плечо остойчивости формы будет равно I Г I x I Г I x i i I Ф1 = cos i x cos d + sin i x sin d.
V V 0 Величина, стоящая в круглых скобках, представляет собой исправленный поперечный метацентрический радиус I x Г I x I r1 = =r Г x, V V где: Г I x V – называют поправкой на свободную поверхность.
2) Вектор ВIy – дополнительная сила, возникающая из-за перемещения цен тра тяжести груза под действием центростремительной силы инерции.
На рис. 4 видно, что направление вектора ВIy совпадает с направлением линии действия вектора Min судна. Это позволяет производить суммирование силы инерции судна Min и дополнительную инерционную силу груза Iу.
Так как поперечная сила ДРК YR = const, то дополнительная сила Iу уве личивает значение Min,за счёт этого соответственно увеличивается время, необ ходимое для достижения постоянных значений кинематических характеристик движения судна на установившейся циркуляции:
= const, = const, = const, = const.
При этих условиях происходит увеличение эволюционного периода цир куляции. Смещение груза в сторону, противоположную повороту, будет про должаться до тех пор, пока угловая скорость не станет постоянной и центро бежная сила уравновесит момент инерции жидкого груза.
Очевидно, что все положения для вертикальной составляющей R вектора ВВ1 также верны и для горизонтальной составляющей Iy., за исключением действия восстанавливающего момента I y = Г I y.
Суммарная поправка Iу, по аналогии с поправкой к метацентрической высоте, определяется I y = Г I y, n + где Iy – момент инерции свободной поверхности груза в танке. Так как Iy из-за конструктивных особенностей грузовых танков при полной (98 %) или близкой к полной загрузке практически не изменяется, можно считать, что Iy зависит только от Г.
Для проверки точности расчётных зависимостей проводились мореход ные испытания танкеров «Port Said», «Lauren», «Dorothea».
Основные размерения танкера “Port Said” Максимальная длина 183.9 м Ширина 32.2 м Высота борта 19.1 м Брутто регистровых тонн Нетто регистровых тонн Водоизмещение зимнее 54694. Порт приписки Маджуро IMO № Год и место постройки 2003, Южная Корея ВРК одновинтовое судно с рулем в ДП ПУ нет Рис. 5. Танкер “Port Said” Основные размерения танкера “Lauren” Максимальная длина 131.4 м Ширина 19.5 м Высота борта 11.0 м Брутто регистровых тонн Нетто регистровых тонн Водоизмещение зимнее 16138. Страна регистрации ПАНАМА IMO № Год и место постройки 2002, Япония ВРК одновинтовое судно с рулем в ДП ПУ 1 в носовой части Рис. 6. Танкер “Lauren” Основные размерения танкера “Dorothea” Максимальная длина 104.5 м Ширина 16.4 м Высота борта 8.5 м Брутто регистровых тонн Нетто регистровых тонн Водоизмещение зимнее 8253. Страна регистрации СИНГАПУР IMO № Год постройки и место 1997 Япония ВРК одновинтовое судно с рулем в ДП ПУ нет Рис. 7. Танкер “Dorothea” В программу выполнения натурного эксперимента входило:
• Исследование поведения судна при выполнении маневра «зигзаг Кемпфа».
• Сравнение времени прохождения контрольных точек «зигзага Кемпфа» при перевозке жидкого груза с различной плотностью.
• Проверка корректности соответствия результатов реализации математиче ской модели Гофмана и поведением судна при выполнении маневра «зигзаг Кемпфа» во время натурных испытаний.
• Определение величины погрешности математической модели Гофмана «зигзаг Кемпфа» для испытуемого танкера.
• Проверка корректности и соответствия исправленной математической мо дели поведения судна при выполнении маневра «зигзаг Кемпфа» и результата ми натурных испытаний.
• Выявление закономерности прохождения точек максимума «зигзага Кемпфа» • Определение времени окончания эволюционного периода с помощью «зигзага Кемпфа» • Расчет времени одерживания с помощью «зигзага Кемпфа» Условия выполнения ходовых мореходных испытаний танкеров Сравнительные натурные испытания проводились на разных по главным размерениям, характеристиках перевозимого груза танкерах «Port Said», «Lauren», «Dorothea» в период 2006–2007 годах. Основная задача исследования заключалась в выяснении закономерности влияния момента инерции свободной поверхности на маневренные элементы танкера. Проводились серии «зигзагов Кемпфа 10/10» при практически одинаковой весовой загрузке жидкого груза с различной плотностью на каждом из танкеров. Количество измерений времени прохождения контрольных точек составляет по десять на каждый эксперимент.
Общее количество произведенных экспериментов – 10. Замеры производились с помощью установленного на судне измерительного оборудования.
Результаты проведенных экспериментов представлены в табличной фор ме. Условия проведения ходовых мореходных испытаний каждого эксперимен та из серии (водоизмещение, осадка, количество груза, погодные условия, уча стники эксперимента, оборудование, глубина под килем, течения) практически были одинаковы. Инструментальная погрешность используемого оборудования в экспериментах определялась отдельно для каждого судна.
Расчеты времени прохождения первого периода «зигзаг Кемпфа» произ водились по одной схеме для всех исследуемых судов, применяя для расчетов математическую модель А. Д. Гофмана. Вычисления времени прохождения первого периода для сравнения с экспериментальными значениями производи лись для одного варианта загрузки из каждой серии. По результатам исследова ния были рассчитаны безразмерные коэффициенты инерции для каждого тан кера. Погрешность определения маневренных элементов производилась с уче том ошибок отдельных обсерваций, т. е. при условии распределения ошибок по нормальному закону M 1n = ( M 1 ) + ( M n ), (21) где M1–n – средняя квадратическая ошибка конечного определения маневренных элементов;
M1, Mn – средние квадратические ошибки в нанесении обсерваций.
Для маневра «зигзаг Кемпфа» формула (21) приобретает вид M 1n = mХР + mГГ, 2 где mХР – суточный ход хронометра;
mГГ – цена деления репитера гирокомпаса.
«Зигзаг Кемпфа 10/10» выполнялся в полном соответствии с методикой, имеющейся в проектной документции (рис. 8).
Производились замеры времени:
– Прохождения контрольных точек (на рис. 8. квадраты 1,2,3,4).
– Перекладки руля (на рис. 8. круги 1,2,3,4,5,6).
Рис. 8. Схема выполнения замера времени одерживания и угла зарыскивания при проведении маневра «Зигзаг Кемпфа» Расчет времени прохождения первого периода «зигзага Кемпфа 10/10» для танкеров «Port Said», «Lauren»,»Dorothea» и сравнение расчетных зна чений с данными натурных испытаний Расчетное время прохождения первого периода, соответствующее време ни 4 (рис. 8), определяется по формуле расчёта времени первого периода математической модели А. Д. Гофмана 2 ( I Z + 66 ) t1 =, M R1 + где ( ) М Г 0 = M R 0 = ( 0 2 ) c L2 d C m c + C m c + C m c ;
2 М Г1 = ( 0 2 ) c L2 d C m c 2 ;
2 ( ) 2 2 A0 Y вх + с 2 t1.
M R1 = z lR н н 0 c Угловая скорость рассчитывается по формуле Cmc ( CY c + CY c 2 ) c =.
Cm Cmc + ( CY + CY c m cos c ) В результате, подставив значения коэффициентов и производных танкера «Port Said» в уравнение первого периода (8) и решив его, получим 10 мин. 02 с.
Таблица Время прохождения контрольных точек «Зигзага 10/10» танкером «Port Said» мoment Свобод.
Плотность груза, т/м инерции поверхн.
0,8459 6'21" 9'18" 11'12" 12'44" 7" 29" 42" 10'03" 10'14" 13'53" 30631 0,8086 6'15" 9'04" 10'59" 12'09" 7" 25" 40" 9'20" 9'31" 12'23" 28554 0,8246 6'18" 9'11" 11'09" 12'32" 7" 27" 42" 9'46" 9'51" 13'11" 29434 Для математической обработки результатов эксперимента использовался полином второй степени вида:
f(x) = P1x2 + P2x. Таблица Коэффициенты полинома функции зависимости времени прохождения контрольных точек от плотности груза Плотн. груза 0,8086 0,8246 0, К-т полинома Р1 –0,001234 –0,001403 –0, Р2 0,2964 0,3176 0, Из табл. 2 видно, что функция, описывающая движение груженого танке ра, линейно зависит от плотности груза.
Для расчетов возьмем время прохождения 1 периода зигзага с грузом плотностью 0,8086 и моментом из-за действия свободной поверхности 23089 м. Сравнивая вычисленные 10 мин. 02 с и экспериментальные значения 12 мин. 09 с видно, что различие между расчетами математической модели и экспериментальными значениями составляет 2 мин. 07 с или 17,42 %. Введем в математическую модель А. Д. Гофмана дополнительный инерционный коэф фициент Iy (груз сырой нефти с плотностью 0,8086 т/м и моментом от дейст вия свободной поверхности 23089 м (эксперимент 2)).Так как при прохожде нии первого периода «Зигзага Кемпфа» судно проходит через две точки макси мума, то коэффициент Iy необходимо учитывать дважды.
2 ( I z + 66 + 2I y ) t1 =.
M R1 + После введения в числитель дополнительного слагаемого получаем 12 мин. 56 с, что различается с результатом эксперимента с учетом поправок хронометра и гирокомпаса на 6,54 %.
Таблица Результаты «Зигзага Кемпфа 10/10» для танкера «Lauren» мoment Свобод.
Плотность груза,т/м инерции поверхн.
МТВЕ 0,7441 46.5" 1'06" 1'42" 2'22" 5" 27" 38" 1'26" 1'34" 2'18" 7965,5 5927, EDC 1.2620, PX 0.8634 49" 1'28" 2'02" 2'46" 5" 31" 40" 1'42" 1'49" 2'53" 6822,0 7025, PX 0,8642 48" 1'21" 1'53" 2'10" 5" 29" 39" 1'39" 1'48" 2'37" 7877,0 6807, Сравнивая для танкера «Lauren» вычисленные 1 мин. 55 с. и эксперимен тальные значения 2 мин. 46 с. нетрудно убедиться, что погрешность математи ческой модели А.Д. Гофмана составляет 51 с или 30,9 %.
Возьмем для расчета дополнительного инерционного коэффициента Iy грузы ЭДС с плотностью 1,2620 т/м и РХ с плотностью 0,8634 т/м с моментом от действия свободной поверхности 7025 м.
После введения в числитель (8) дополнительного слагаемого 2Iy получа ем 3 мин 01 с, что различается с результатом эксперимента на 9,7 %, а с учетом поправок хронометра и гирокомпаса на 9,92 %.
Таблица Результаты «Зигзага Кемпфа 10/10» для танкера «Dorothea» мoment Свобод.
Плотность груза,т/м инерции поверхн.
MX = 0,8695 55" 1'32" 2'15" 2'53" 7" 32" 45" 1'45" 2'01" 3'08" 2915,3 2334, MX = 0,8703 56" 1'38" 2'23" 3'08" 7" 33" 46" 1'52" 2'02" 3'13" 2915,0 2536, PX = 0,8638 55" 1'30" 2'09" 3'02" 7" 31" 44" 1'38" 1'54" 2'52" 2913,9 2515, PX = 0,8653 55" 1'32" 2'13" 3'07" 7" 32" 44" 1'40" 2'00" 3'05" 2914,5 2521, Сравнивая вычисленные 2 мин. 13 с и экспериментальные значения мин. 02 с для танкера «Dorothea» нетрудно убедиться, что погрешность матема тической модели А. Д. Гофмана составляет 26,9 %.
Возьмем для расчета дополнительного инерционного коэффициента Iy груз РХ с плотностью 0,8638 т/м с моментом от действия свободной поверхно сти 2515,3 м. После введения в числитель (8) дополнительного слагаемого 2Iy получаем 3 мин 24 с, что различается с результатом эксперимента на 6,6 % а с учетом поправок хронометра и гирокомпаса на 6,82 %.
Рис. 9. Зависимости времени окончания эволюционного периода от плотности груза, где тк «Port Said» тк «Lauren», тк «Dorotheа» На графиках рис. 9 видно, что это зависимость линейна во всех случаях, что соответствует принятому ранее допущению о зависимости с = f ( ).
Графики рис. 9 были построены на основании результатов «Зигзага Кемпфа 10/10» серий экспериментов по определению зависимости времени окончания эволюционного периода от изменения плотности груза. Можно за метить, что tg зависит от водоизмещения (рис. 10).
Проведенные серии зигзагов на судах различного водоизмещения позво ляют утверждать, что необходимо уточнять маневренные элементы загружен ного танкера, если плотность перевозимого груза отличается от плотности, при которой были определены маневренные элементы.
Рис. 10. Зависимость безразмерного коэффициента инерции (tg ) от.
Рис. 11. Определение поправки времени окончания эволюционного периода NO GO AREA B С С NO GO AREA С Р Рис. 12. Ошибки, возникающие при повороте танкера на новый курс.
Необходимость учета влияния инерции жидкого груза на траекторию дви жения системы «судно-жидкий груз» иллюстрируется возможными ошибками, возникающими из-за неучета влияния плотности груза при навигационной про кладке. На рис. 12 сплошной линией показан новый курс, на который нужно лечь танкеру. На этапе предварительной прокладки (без учета изменения плот ности жидкого груза) была рассчитана точка перекладки руля таким образом, чтобы в точке Р0 судно начало перекладку руля, а в точке С началось маневри рование (закончился эволюционный период). Однако из-за того, что погружен ный груз имеет плотность отличную от плотности, при которой определялись маневренные элементы, эволюционный период циркуляции изменится, и, фак тически, судно будет двигаться по циркуляции, показанной пунктирной линией и выйдет на новый курс в точке С1, если плотность груза малая, и следовательно, малая инерция системы «судно–жидкий груз» или в точке С3, если плотность груза большая.
Например, по результантам исследования поведения танкера Port Said при выполнении маневра «зигзаг Кемпфа» установлено, что увеличение плотности груза на 0,0373 тм увеличило эволюционный период на 5 сек, что при скорости 13,4 узла составляет 34,5 м. На рис. 10 видно, что зависимость коэффициента инерции от водоизмещения танкера нелинейна, и при водоизмещении танкера 100000–300000 м ошибка при входе в устойчивую циркуляцию (поворот) из–за неучёта изменения плотности груза при использовании таблицы маневренных элементов или математических моделей в навигационных системах, может дос тигнуть десятков минут и, как результат сотни метров отклонения от зоны безопасности.
Если изменение курса больше 3040°, особенно при плавании в стеснен ных условиях, очень часто судоводители не могут закончить поворот без за рыскивания. При ограниченной зоне безопасности это может быть опасным для судна и окружающей среды. В официальной отечественной и зарубежной лите ратуре по теме управления и маневрирования судна такие рекомендации отсут ствуют. Между тем при помощи графика маневра «зигзаг Кемпфа» судоводи тель может самостоятельно в судовых условия произвести необходимые вы числения.
Рассмотрим метод графического определения времени окончания эволю ционного периода.
Время окончания эволюционного периода определяется по датчикам угло вых скоростей. Если датчики на судне не установлены, то при проведении зигза га необходимо произвести дополнительные замеры времени начала изменения курса с дискретностью 2–3° (период времени между положением руля 23) для уточнения положения точки перегиба. На графике время точки перегиба 1 соот ветствует 14".
Рассмотрим маневрирование танкера, загруженного грузом с плотностью 0,8300 т/м, график зигзага рис. 13 был построен при загрузке грузом с плотно стью 0,8086 т/м.
Рис. 13. Использование графика «зигзага Кемпфа10//10» для определения времени окончания эволюционного периода и окончания одерживания Для определения исправленного времени начала маневренного периода используем график рис. 11. График рис. 11 был построен по результатам прове денных зигзагов при полной загрузке грузами с плотностью 0,8086 и 0,8459 тм.
Входим с новой плотностью груза 0,8300 тм и получаем искомое время окон чания эволюционного периода – 17 с.
На рис.13 показан графический способ определения времени одержива ния при выходе судна на ИК х + 43° при перекладке руля 10 на правый борт без зарыскивания. В точке 2 (6'10") необходимо начать перекладку руля в ДП.
Если необходимо произвести поворот на угол меньше 35 без зарыскивания, то этого не удастся сделать, даже если начать одерживание в точке 1. Максимум синусоиды сместиться влево на величину А1, равную времени уменьшения по ложения руля 10° право – t1(точка 3). Если необходимо произвести одержива ние при угле поворота больше 43°, например 53°, то величина смещения мак симума зигзага А2 будет соответствовать приращению + t2 времени положе ния руля 10° право. В точке 4 (6'50") необходимо начать перекладку руля в ДП.
Для корректировки времени одерживания из-за изменения плотности груза прибавляем к полученному времени (+3с) (рис.11).
Получили исправленное время окончания одерживания при изменнённой плотности груза: 6 мин. 53 с.
Предлагаемый метод позволяет быстро определить и нанести на карту точку начала перекладки руля и точку окончания одерживания, обеспечиваю щую точный выход судна на новый курс.
Алгоритм вычислений 1. С целью получения наиболее полной информации о маневрировании судна, необходимо провести как минимум два маневра «зигзаг Кемпфа» 10/10 и 20/20 на каждый борт при одинаковой загрузки и водоизмещении при за грузке грузами с различной плотностью.
2. По результатам маневров строятся графики (рис. 8).
3. Определяем время окончания эволюционного периода для каждой груза.
4. Строим графики по результатам времени окончания эволюционного перио да для каждой серии зигзагов (рис. 11).
5. Для получения времени одерживания используем необходимый график в зависимости от вида выбранного маневра (рис. 13).
6. С графиков зависимостей времени окончания эволюционного периода от плотности груза снимаем поправку на изменение плотности груза.
7. Исправляем время одерживания полученной временной поправкой.
Можно также использовать «зигзаг Кемпфа» в случае аварийного тормо жения танкера. Обычно тормозной путь супертанкера достигает нескольких миль при застопоренном ГД. Из опыта эксплуатации ГД хорошо известно, что при поступательном движении вперёд со скоростью больше 8–10 узлов усилия пускового воздуха недостаточно, чтобы исключить действие гребного винта, т.
к. при набегающем потоке винт начинает работать как гидротурбина. С помо щью зигзага можно «погасить» скорость намного быстрее. Так, например, к концу первого периода скорость падает на 1/3, а к концу второго периода – до половины, что позволяет реверсировать ГД и избежать аварии.
Основные выводы и заключение В диссертации рассмотрена проблема обеспечения безопасности крупно тоннажных танкеров в процессе их маневрирования. В итоге изучения этой проблемы автором установлены новые факты и получены важные для безопас ности судовождения научные результаты, которые сводятся к следующему:
• Несмотря на развитие науки и накопленного опыта управлением крупнотон нажных судов, наличием на современных судах высоконадежной техники для судовой навигации, из–за проявлений инерционности судна, управление его движением до сих пор осуществляется на «глазок» капитана и лоцмана. Объяс няется это тем, что существующие математические модели, описывающие дви жение судна, не учитывают многих факторов влияния внешней среды на ма невренные характеристики судна.
• По статистическим данным, навигационные аварии крупнотоннажных судов, чаще всего, происходят из-за ошибок судоводителей при маневрировании в особых условиях.
• На основании анализа отечественных и зарубежных исследований, посвящен ных различным аспектам обеспечения безопасности мореплавания, сделан вы вод о необходимости выделить в качестве самостоятельного предмета исследо вания «Безопасность мореплавания при маневрировании крупнотоннажного танкера».
• Исходными предпосылками к исследованию маневрирования крупнотоннажно го танкера являются: отсутствие теоретически обоснованных и эксперимен тально проверенных рекомендаций по управлению движением танкера при проявлении инерционности жидкого груза и расчетных зависимостей, позво ляющих обеспечить предсказуемость траектории движения танкера • Исследована и экспериментально проверена расчётная модель А. Д. Гофмана и уточнённая автором по данным натурных испытаний.
• Предложен методологический подход, позволяющий по графику «зигзага Кемпфа» определить время окончания эволюционного периода и времени окончания одерживания судна.
• Разработан апробированный на крупнотоннажных танкерах алгоритм расчёта маневренных элементов судна с учётом проявления инерционности груза. Его использование в практике судовождения позволит снизить навигационную ава рийность крупнотоннажных танкеров.
Основные публикации по теме диссертации Публикация в изданиях перечня ВАК России 1. Пилюгин, А. Г. Особенность маневрирования наливных судов в зависимо сти от параметров груза [Текст] / А. Г. Пилюгин, Д. А. Акмайкин, Д. Б. Хо менко // Эксплуатация морского транспорта. Ежеквартальный сб. науч. ста тей. СПб.: ГМА, 2009. – Вып. 4(58), – С. 27–31.
Другие публикации 2. Пилюгин, А. Г. Возникновение инерции жидкого груза при изменении кур са танкера [Текст] // Актуальные проблемы экономики и управления на транспорте. Материалы 7–й Всерос. науч.–практ. конф., – Владивосток, 2009. – С. 36–38.
3. Пилюгин, А. Г. Использование средств активного управления танкеров в особых условиях [Текст] // Безопасность судоходства в Дальневосточном бассейне. Сборник материалов Владивостокского морского форума, Влади восток, Мор. гос. у–т. 2009. – С.52.
4. Пилюгин, А. Г. Основные стандартные маневренные испытания судов. Их целевое назначение и интерпретация результатов [Текст] / А. Г. Пилюгин, М. А. Москаленко // Безопасность судоходства в Дальневосточном бассейне.
Сборник материалов Владивостокского морского форума, Владивосток, Мор. гос. у–т. 2009. – С.49.
5. Пилюгин, А. Г. Нормативные требования к маневренным испытаниям судов [Текст] / А. Г. Пилюгин, М. А Москаленко // Проблемы транспорта Дальне го Востока. Пленарные доклады восьмой международной научно– практической конференции. 30 сентября – 2 октября 2009 г., Владивосток, Россия – Владивосток: ДВО Российской Академии транспорта, 2009. – С.35– 36.
Пилюгин Алексей Геннадьевич ОЦЕНКА И УЧЕТ ВЛИЯНИЯ ИНЕРЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЖИДКОГО ГРУЗА НА БЕЗОПАСНОЕ МАНЕВРИРОВАНИЕ ТАНКЕРА Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Уч.-изд. Л,10 Формат 60 х 84 1/ Тираж 100 экз. Заказ № Отпечатано в типографии РПК МГУ им.адм.Г.И.Невельского 690059 г.Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а