Удифферентовка и балластировка судна
Проектной удифферентовкой называется операция, в процессе которой положение центра тяжести проектируемого судна совмещается с положением центра величины, выбранного из условий ходкости.
Координаты ЦТ определяются из уравнения моментов, составленных относительно плоскости мидель-шпангоута и ОП. Для этого составляется таблица нагрузки (табл. 1), в которой учитываются все составляющие водоизмещения и их распределение по длине и высоте судна.
Таблица нагрузки
таблица 9
| Код раздела | Наименование раздела | Масса, Рi | Плечи | Моменты | ||
| xi | zi | Рi xi | Рi zi | |||
Координаты общего ЦТ:
и 
.
Из приведенных формул видно, что положение ЦТ судна будет зависеть от удельного значения каждой из составляющих нагрузки и координат их ЦТ.
Применение данного способа на начальных стадиях проектирования затруднительно, поскольку данные по нагрузке и главные размерения судна (от которых зависят плечи составляющих нагрузки) постоянно меняются, что обусловлено методикой проектирования. Поэтому на начальных стадиях координаты ЦТ находят по упрощенным зависимостям. Например положение ЦТ по высоте можно связать с высотой борта судна
,
где в среднем x = 0,63 – 0,72 – для сухогрузов, 0,60 – 0,65 – для зерновозов, 0,54 – 0,57 – для наливных судов.
Результаты расчетов будут значительно более точными, если определять координаты ЦТ не для всего судна, а для отдельных его составляющих, используя статистические зависимости, данные прототипа и схему общего расположения проектируемого судна. В этом случае все составляющие нагрузки разбивают на две группы. К первой относят те разделы, координаты ЦТ которых определяют по эскизу общего расположения проекта. К таким разделам относятся груз, топливо, балласт, оборудование, экипаж. Ко второй – разделы, для определения координат ЦТ которых используют статистические данные или данные прототипа.
В этом случае для координат ЦТ корпуса:
, и 
Несколько сложнее определяются координаты ЦТ механизмов, поскольку МО проектируемого судна и прототипа может располагаться совершенно по разному. В этом случае всю совокупность масс, входящих в раздел, делят на две части: расположенных в пределах МО и вне его. Затем пользуясь нагрузкой прототипа с аналогичным типом СЭУ, определяют абсциссы ЦТ обеих частей – х'м 0 и х''м 0, отсчитывая их от кормовой переборки МО (рис. 63). Зная
длину МО – L'м 0 и расстояние между кормовой переборкой МО и переборкой ахтерпика L''м 0, можно найти относительные абсциссы (х'м / L'м)0 и (х''м / L''м)0. Считая их неизменными для проекта и прототипа можно определить координаты х''м и х'м, снимая со схемы общего расположения расстояния L'м и L''м.
Рис. 63. Определение координат ЦТ механизмов
Аналогичным образом можно определить и возвышение ЦТ этого раздела.
Способы удифферентовки судна
В практике проектирования судов применяются три основных способа удифферентовки: перемещением МО, изменением длины судна, изменением архитектурно-компоновочной схемы судна.
Первый способ относится, в основном, к судам со средним и промежуточным МО. Задача формулируется следующим образом, известна разность между абсциссами ЦТ и ЦВ, равная Δ xg, нужно определить на какое расстояние s необходимо переместить МО, чтобы ликвидировать это расхождение.
Обозначим через Р'м и Р'т те части разделов Рм и Рт, которые расположены в пределах МО и через Р'к – массу корпусных конструкций в пределах МО (надстройки и рубки накрывающие МО, переборки МО, а также различные местные конструкции). При перемещении МО потребуется переместить часть груза Р'г, из объема примыкающего к МО, на расстояние l'м в противоположном направлении (рис. 64). В результате ЦТ судна сместится на величину
.
Масса перемещаемого груза Р'г будет зависеть от величины смещения s.
Р'г = р'г s,
где р'г – масса груза, приходящаяся на 1 м длины трюма. Тогда величина s
.
Рис. 64. Удифферентовка судна перемещением МО
Следует обратить внимание, что при выводе уравнения не было учтено то обстоятельство, что высота кормового трюма несколько меньше, чем трюма перед МО, за счет наличия в кормовой части туннеля гребного вала. Вследствие этого при перемещении части груза в нос, его длина (при неизменном объеме) несколько уменьшится. Кроме этого, за счет уменьшения длины туннеля гребного вала, уменьшится масса Р''м. Однако все подобные обстоятельства не приводят к серьезной ошибке и могут быть устранены перемещением масс топлива или балласта.
Этот способ удифферентовки достаточно прост и удобен, однако применим далеко не всегда. В случае, когда у судна с кормовым расположением МО ЦТ смещен в нос от ЦВ или при Р'м + Р'т + Р'к ≈ Р'г, необходимо использовать другие способы удифферентовки.
Второй способ основан на изменении длины судна в нос и корму симметрично относительно миделя. При этом можно считать, что водоизмещение судна остается постоянным (за счет изменения В и Т). Задачу можно сформулировать так, известна разность между ЦТ и ЦВ судна, необходимо определить при каком приращении длины судна Δ L эта разность станет равной нулю.
Уравнение моментов при изменении длины судна,
.
При изменении длины, теоретический чертеж судна аффинно преобразовывается, ЦВ сместиться на величину Δ хс = хс 0Δ L / L 0, где хс 0 – абсцисса ЦВ соответствующая судну длиной L 0 (рис. 65). Таким образом хс = хс 0 + Δ хс, и расстояние, на которое необходимо переместить ЦТ Δ хg = хg 0 – хс.
Рис. 65. Удифферентовка судна путем изменения длины
При изменении длины судна произойдет перераспределение нагрузки. Можно считать, что относительные абсциссы таких разделов как корпус, оборудование, запас водоизмещения останутся неизменными, т.е. хi / L = const, соответственно приращения абсцисс этих разделов Δ хi = хi 0Δ L / L 0. Абсциссы ЦТ масс механизмов и экипажа сместиться на Δ L /2 в корму. Абсцисса ЦТ груза, при неизменной длине форпика и ахтерпика, не измениться. Изменение координат ЦТ топлива и балласта будет зависеть от их размещения. Если считать, что запасы топлива сосредоточены между переборками МО, то Δ хт = Δ L /2, если топливо равномерно распределено по длине судна, то Δ хт = хт 0Δ L / L 0. Тогда,
где 
.
Окончательно,
.
Откуда величина удлинения
.
Данный способ применим для всех судов с машиной в корме. Основная трудность в его использовании заключается в определении вида зависимости S Pixi 0. Чем больше разделов будет выделено в составе данной функции, тем точнее можно определить значение смещения ЦТ, но с ростом числа слагаемых выражение становиться все более громоздким.
Третий способ сводится к увеличению вместимости грузовых помещений в той оконечности судна, по направлению к которой необходимо переместить его ЦТ. На судах со средним и промежуточным положением МО такая необходимость возникает вследствие уменьшения вместимости кормовых трюмов из-за туннеля гребного вала. Увеличить вместимость этих помещений можно создав дополнительный твиндек в надстройке или путем перехода к квартердечному типу судна, с приподнятой на 0,6 – 1,2 м кормовой частью верхней палубы. Добиться смещения ЦТ в нос можно путем удлинения бака и устройства там грузового твиндека (рис. 66).
Рис. 66. Удифферентовка судна изменением архитектурного типа
Нередко в процессе удифферентовки пользуются несколькими способами.
Балластировка судна
Транспортные суда проектируют таким образом, чтобы при полном водоизмещении (с грузом и полными запасами), они имели бы нулевой дифферент (либо минимальный дифферент на корму) и оптимальные показатели остойчивости без приема балласта – твердого или жидкого.
Твердый балласт, находящийся на судне при любых вариантах нагрузки, используется на транспортных судах довольно редко. Исключение составляют суда с высоким расположением ЦТ – контейнеровозы и пассажирские. Для них же твердый балласт используется для проектной удифферентовки в полном грузу. Жидкий балласт в виде забортной воды принимается в определенных условиях всеми судами без исключения.
Проектанта интересует вопрос о необходимом количестве и размещении водного балласта, т.е. об объеме и расположении балластных цистерн. Особенно остро возникают эти вопросы при разработке проектов универсальных сухогрузных судов, поскольку на специализированных судах (контейнеровозы, балкеры и др.) обычно имеется достаточно свободных объемов для размещения балласта. Особое внимание следует уделять балластировке танкеров, которые должны удовлетворять требованиям международных конвенций.
Балластировку судна осуществляют для поддержания в различных условиях эксплуатации необходимых параметров посадки и остойчивости.
Прием балласта для повышения остойчивости применяется при расходовании топлива и при выходе судна в рейс с палубным грузом, для понижения остойчивости – при ходе с запасами топлива, но без груза. Соответственно этим случаям балласт принимается в низкорасположенные цистерны двойного дна или высокорасположенные подпалубные цистерны или цистерны в надстройках. Количество балласта, необходимое в каждом случае определяют исходя из анализа остойчивости судна при различных состояниях нагрузки.
Прием балласта для поддержания посадки связан с требованиями предъявляемыми к погружению оконечностей и допустимому дифференту судна. Появление дифферента влияет на ходкость и маневренность судна, а также на остойчивость, заливаемость палубы, ледопроходимость и протяженность зоны невидимости перед форштевнем. Для большинства современных судов считается допустимым относительный дифферент d / L = 0,6 – 0,8 % на корму и 0,1 – 0,2 % на нос.
Уменьшение погружения носовой оконечности приводит при килевой качке к оголению днища и ударам его носовой части об встречную волну (слеминг). Условием отсутствия слеминга является достаточное погружение носовой оконечности. Нижним пределом относительной осадки судна в носу считается величина Тн / L = 0,025 – 0,030. Большие значения характерны для быстроходных судов с неограниченным районом плавания, меньшие – для тихоходных судов и судов, эксплуатирующихся в ограниченных акваториях. В то же время для судов совершающих рейсы в штормовых условиях, рекомендуется увеличивать относительную осадку носом до значений Тн / L = 0,035 – 0,038.
Уменьшение погружения кормовой оконечности сопряжено с оголением (частичным или полным) гребного винта и, следовательно, снижением его эффективности. Для современных судов соотношение между диаметром гребного винта и проектной осадки лежит в пределах dв / Т = 0,65 – 0,70. Меньшие значения характерны для высокооборотных винтов, отличающихся меньшим диаметром, большие – для винтов, частота вращения которых не превосходит 100 – 120 оборотов в минуту. Учитывая регламентированные Регистром зазоры между винтом и корпусом судна, а также толщину пятки ахтерштевня (для кормы закрытого типа) получаем, что минимальные значения осадки кормой Тк = (0,70 – 0,74) Т. Для судов эксплуатирующихся в штормовых условиях, рекомендуется увеличивать погружение кормовой оконечности до 0,8 Т.
