10. Про доцільність використання рульових машин при спільній роботі насосів

10.1. Вплив режимів роботи рульових машин на маневрені характеристики суден

Досвід ​​багаторічної практики використання рульових машин показує: при плаванні у відкритому морі працює один насос, а в складних навігаційних умовах (протоках, каналах, шлюзах, акваторіях портів, в льодовій обстановці і т. д.) і при швартовних операціях (в портах і відкритому море) включають в паралельну роботу обидва насоси, що в свою чергу забезпечує підвищення швидкості перекладки руля приблизно в 2 рази. У цьому випадку зменшується постійна часу затримки повороту і за рахунок цього судно швидше реагує на керуючі дії.

Зауважимо, що всі без винятку фірми-виробники рульових машин дозволяють використовувати режим роботи двох насосів. Але при цьому режимі більшість рульових машин працюють недостатньо надійно, відбуваються їх численні відмови, в тому числі «загадкового» характеру. Створилася, таким чином, суперечлива ситуація, коли капітани, як правило, «за» використання режиму спільної роботи насосів, а старші механіки – «проти». Ця ситуація стала міжнародною, тому ІМО була змушена розглянути її, але прийняла цікаве рішення в поправках до МК «СОЛАС-74», 1981 г., (правило 19-1) [5].

Воно сформульовано так: «У районах, де судноводіння вимагає особливої ​​обережності, на суднах має працювати більше одного силового агрегату рульового приводу, якщо такі агрегати можуть працювати одночасно».

Така рекомендація нічого не дала експлуатаційникам (судноводіям та механікам) і є не випадковою. Для вирішення суперечливої ​​проблеми були потрібні результати ґрунтовних досліджень за двома напрямками:

1. Який вплив режимів роботи рульових машин на маневрені характеристики суден і наскільки суттєво вони покращуються при роботі двох насосів в порівнянні з одним?

2. Які причини відмов рульових машин при спільній роботі насосів і які можуть бути запропоновані рекомендації для їх запобігання?

Такі дослідження раніше не проводилися, тому рішення ІМО виявилося неспроможним.

Для відповіді на перше поставлене питання розглянемо результати виконаних в останні роки теоретичних робіт і натурних випробувань суден.

Протягом багатьох років всі класифікаційні товариства світу регламентують, як один з основних параметрів рульових машин, час tp перекладки руля з 35° одного борту до 30° іншого борту при максимальній експлуатаційній осадці і повній швидкості переднього ходу. Воно повинно бути не більше 28 с.

Ця норма часу може забезпечуватися при комплектації рульових машин різними насосами в залежності від типу і розміру суден. Так, наприклад, для пасажирських суден, танкерів, газовозів і хімовозів валовою місткістю 10000 рег. т і більше, а також для суден більш 70000 рег. т ця норма часу повинна забезпечуватися при роботі одного насоса. Назвемо його подачу номінальною.

Широко поширена комплектація рульових машин двома однаковими насосами. В цьому випадку для названих типів суден повинні встановлюватися два насоси номінальної подачі, а для інших суден допускається установка двох насосів зменшеною (приблизно в 2 рази) подачі, які повинні забезпечити норму часу (28 с) при сумісній роботі. Один такий насос перекладає руль приблизно за 50 с.

Норма часу (28 с) апробована тривалим досвідом експлуатації, проте вона не має достатнього наукового обґрунтування. Тому багато дослідників в останні роки виконали роботи з метою нормування показників керованості морських суден і, в тому числі, для уточнення норми часу перекладки руля.

На рис. 10.1 показаний маневр циркуляції, який судно виконує під дією гідродинамічних сил і моментів при керованій перекладці руля. Цей же маневр неминуче відбувається в разі відмови рульової машини, якщо руль залишився на борту. Елементами маневру є: висування/видвиг l судна, зворотне l1 і пряме l2 зміщення, діаметр Dт тактичної і Dy усталеної циркуляції.

           

Рис. 10.1. Схема маневру циркуляції судна

При виконанні судном цього маневру розрізняють три періоди: маневрений (відповідає за часом тривалості перекладки руля), еволюційний і усталена циркуляція. У перших двох періодах відбувається суттєва зміна всіх параметрів руху і, зокрема, зменшення швидкості v судна до значень (0,6 ÷ 0,8) v0. Усталена циркуляція характеризується постійністю всіх параметрів – швидкості v, діаметра Dy та ін., що залежать від кута α перекладки руля і завантаження судна.

Відомі теоретичні дослідження японських вчених. Вони брали в якості базового маневр циркуляції судна і оцінювали зміну видвигу l (рис. 10.1) в залежності від величини tp. При зменшенні видвигу знижується ймовірність зіткнення судна з нерухомою перешкодою, розташованою по курсу, тому він/воно приймався/приймалося в якості характерного показника для оцінки маневрених властивостей судна.

Згідно з цими дослідженнями при зменшенні часу t р перекладки руля на 10 с (від 28 до 18 с) зменшується відносний видвиг приблизно на 8% для суден довжиною 100 м при швидкості ходу 15 вузлів. Для таких суден норма часу (28 с) виявилася оптимальною. При збільшенні розмірів суден і швидкостей ходу відносний видвиг зменшується, а при їх зменшенні він збільшується. Тому японські дослідники вважають, що для поліпшення маневрених якостей суден довжиною менше 100 м слід зменшувати час (збільшувати швидкість) перекладки руля, а для суден з більшою довжиною доцільно збільшувати цей час при одночасному збільшенні площі пера руля, виходячи з умови постійності потужності рульової машини.

Результати досліджень і пропозиції для нормування параметра tp були представлені урядом Японії в міжнародній організації ІМКО для розгляду. Однак ці пропозиції не були прийняті.

Основним недоліком цих досліджень є мала значимість (8%) позитивного ефекту при зміні прийнятого показника – видвигу судна l1. Іншими словами маневр циркуляції є нехарактерним для оцінки параметра tp.

Аналогічні теоретичні дослідження були проведені Ю. А. Смирновим [6]. Вони також показували, що при зменшенні часу перекладки руля в два рази (з 20 с до 10 с) відносний видвиг судна довжиною 120 м зменшується приблизно на 7%. Збільшення площі руля також зменшує відносний видвиг.

На цій підставі робиться висновок про доцільність одночасного збільшення швидкості перекладки руля і його площі. На відміну від японських пропозицій, це спричинить значному збільшенню потужності рульових машин і, відповідно, їх початкової вартості і експлуатаційних витрат.

При цих дослідженнях приймався також маневр циркуляції і той же показник для оцінки параметра t р. Тому недоліки досліджень ті ж самі.

Мала значимість видвигу, як показника для оцінки маневрених властивостей судна, була доведена Ю. М. Мастушкіним [3] на підставі проведених ним систематичних натурних випробувань морських суден.

Тому він досліджував маневр коордонат, який звичайно використовується при розходженні суден в умовах обмеженого простору, а також у випадках аварійного маневрування, пов'язаних, наприклад, із спізнілим виявом зустрічного судна, втраченим часом для прийняття рішення і т. д.

Було показано, що для безпечного розходження суден на дистанції 1 миля та при бічному зміщенні судна, що дорівнює 7 корпусів, істотне значення має так звана «ефективність засобів управління», що визначається характеристиками судна, гвинта і руля. Однак в цьому комплексному показнику приймалася традиційна норма часу перекладки руля (28 с). Зміна параметра tp, тобто режимів роботи рульових машин, не досліджувалась.

Відомі роботи А.С. Мальцева з маневрування суден при розбіжності [2]. Ним розроблені докладні методики безпечного розходження суден, але не досліджувався вплив режимів роботи (параметра t р) рульових машин на маневрені характеристики суден.

Таким чином вище розглянуті дослідження, незважаючи на їх ґрунтовність і широту, не ставили задачу оцінити вплив режимів роботи ГРМ на маневрені характеристики суден. Тому вирішення цієї задачі не існувало.

Режимів роботи ГРМ – два: працює один насос або спільно два. У першому випадку фактичний час перекладки руля від 35° одного борту до 30° іншого становить – (22-28) с, а в другому – (13-15) с. Такими насосами комплектуються ГРМ пасажирських суден, атомних, танкерів, газовозів і хімовозів валовою місткістю 10000 рег.т. і більше, а також інших суден більш 70000 рег.т.

Для інших суден допускається правилами ІМО (Регістру) комплектація ГРМ насосами половинної (від номінальної) подачі.

Такі насоси забезпечують перекладку руля від 35° одного борту до 30° іншого за час, приблизно, 50 с. при роздільній роботі, а норма часу (не більше 28 с) забезпечується тільки при їх спільній роботі.

Тому були проведені теоретичні та експериментальні в натурних умовах дослідження поворотності суден при різних характеристиках і режимах роботи ГРМ. Використовувалися типові маневри: коордонат, відворот від зустрічного судна і зигзаг [7-10].

На рис. 10.2, а показана схема маневру коордонат. Він виконується в такий спосіб. У проміжку безрозмірного часу від τ₀ до τ₁ руль перекладається на кут α_max, наприклад, правого борту і утримується в цьому положенні від моменту τ₁ до τ₂. Далі від моменту часу τ₂ до τ₃ руль перекладається на кут α_max лівого борту і також утримується в цьому положенні від моменту часу τ₃ до виходу судна на початковий курс в момент τ_м. Згідно характерним моментам часу судно, рухаючись з вихідного положення, буде займати послідовно положення I-IV. Тривалість маневру визначиться різницею τ_м – τ₀ або величиною τ_м (при τ₀ = 0).

Рис. 10.2. Схема маневру коордонат (а) і траєкторії руху центру ваги судна при різних режимах роботи ГРМ (б): 1 – t_р = 24 с (працює один насос), 2 – t_р = 14 с (працюють два насоси, t_р = 2 с (теоретична траєкторія)

Тут прийняті позначення: χ і η – відповідно поздовжнє і поперечне зміщення судна при його русі по криволінійній траєкторії, м; А_м – дистанція маневрування (по чистій воді), м; В_к – бічний зсув корпусу від лінії початкового курсу в момент розходження суден (корми з кормою), м.

На рис. 10.2, наведені також розрахункові траєкторії руху центру ваги судна (водотоннажність – 2900 т, довжина – 73 м, швидкість 6,8 м/с – повний хід) при різних режимах роботи ГРМ: 1 – t_р = 24 с (працює один насос); 2 – t_р = 14 с (працюють два насоси); 3 – t_р = 2 с (теоретична траєкторія).

При розрахунках була прийнята основна умова – тривалість маневру τ_м повинна бути постійною. У цьому випадку зменшення часу t_р перекладки руля на ділянках "0 – I" і "II – III" приводило до збільшення часу перебування руля на бортах судна на ділянках "III" і "III – IV".

Аналіз траєкторій показує, що при спільній роботі насосів (крива 2), порівняно з одним насосом (крива 1), збільшується бічний зсув судна η (або ) при тому ж значенні поздовжнього зсуву χ (або ), тобто поліпшуються умови його розходження з іншим судном.

Тут прийняті безрозмірні величини , , де В і L – відповідно ширина і довжина судна.

Траєкторія 3 є теоретичною. Вона відповідає часу t_р = 2 c, що є граничною величиною.

Були проведені розрахунки також для інших суден при різних швидкостях руху, наприклад, для судна водотоннажністю 20000 т, довжина 145 м при швидкості 9,4 м / с (повний хід). В усіх випадках характер траєкторій виявився аналогічним.

Кількісна оцінка позитивного ефекту при спільній роботі насосів порівняно з одним така. Відносний бічний зсув для судна водотоннажністю 2900 т при малому ході становить 20%, а при повному ході 42%. Аналогічний ефект отримано для суден більшої водотоннажності.

Подальше зменшення часу перекладки руля проти 14с також покращує маневреність суден, але вимагає значного збільшення потужності насосів.

Виконувалися розрахунки для маневру «Екстрений відворот» при тих же умовах. Виявилося, що позитивний ефект при малих швидкостях незначний, але при повних швидкостях він істотний для суден різної водотоннажності.

Для підтвердження теоретичних (розрахункових) результатів найважливіше значення мають натурні випробування.

Зокрема, на т/х «М. Свєтлов» (водотоннажність 11600 т) в 1975 році вперше проводилися дослідження режимів роботи ЕГРМ при маневрі зигзаг [9]. На судні встановлена рульова машина типу Р17, укомплектована двома насосами номінальної подачі. Вони забезпечували перекладку руля за час t_р = 24 і 13с при роздільній і спільній роботі. Ці два режими зручно було використовувати при експериментах.

Перш за все виконувався маневр «стандартний» зигзаг, при якому, як відомо, курсові кути і кути перекладки руля дорівнюються 15°.

Проведені експерименти показали незначні зміни параметрів цього маневру при роботі ЕГРМ з одним і двома насосами. Такий результат можна пояснити великими відхиленнями курсових кутів від початкового значення, при яких настає стале обертання судна. Отже, даний маневр є нехарактерним для оцінки режимів роботи рульових машин.

Тому були проведені дослідження змінених варіантів маневру зигзаг, при яких приймалися різні курсові кути φ, що відповідають початку перекладки руля, а саме: 10, 5, 0 градусів.

Виявилося, що параметри таких маневрів істотно змінюються при різних режимах роботи рульової машини.

У подальших дослідженнях було прийнято варіант маневру зигзаг, при якому перекладка руля починалася в моменти часу, що відповідають φ = 0. Це зручно для спостереження і відліку курсових кутів.

Такий варіант маневру зигзаг показаний на рис. 10.3. Назвемо його «експлуатаційним». Тут позначення відповідають: φ – курсовий кут судна; α – кут перекладки руля; 1 – графік маневру при роботі одного насоса ЕГРМ; 2 – графік маневру при роботі двох насосів; 3 – графік зміни кута α при роботі двох насосів; А₁ і А₂ – максимальні величини курсових кутів (амплітуди коливань судна на курсі); Т₁ і Т₂ – періоди маневрів. При одному насосі час перекладки руля відповідає t_р = 24 с, а при двох – 13 с.

Рис. 10.3. Типові графіки маневру зигзаг при роботі рульової машини з одним і двома насосами

Коротко пояснимо практичний спосіб виконання цього маневру при натурних експериментах.

Спочатку руль відхиляють на деякий кут α (наприклад, 15° право) і утримують в цьому положенні. Судно повертається вправо, а при перетині генерального курсу (прийняти φ = 0) руль починають перекладати на лівий борт. При досягненні кута 15° лівого борту руль утримують в цьому положенні. Судно продовжує повертатися вліво. При перетині генерального курсу (φ = 0) руль знову починають перекладати на правий борт і утримують в положенні 15° правого борту і т. д. Після 2-3 коливань судна щодо значення φ = 0 характеристики А₁ (або А₂) і Т₁ (або Т₂) стають постійними величинами.

Порівняння графіків 1 і 2 показує, що при спільній роботі насосів (графік 2) значно зменшуються курсовий кут А₂ та період Т₂ щодо А₁ і Т₁. Наприклад, час виконання маневру Т₂ зменшується від 60 до 44 с. Це характеризує підвищення маневреності судна.

Натурні випробування були продовжені на суднах різної водотоннажності: серія «Слов'янськ» (18300 т), «Герої Панфіловців» (20000 т), «Зоя Космодем'янська» (62000 т) та ін.

Встановлені на цих суднах російські ГРМ марок Р17, Р18 і Р21 забезпечували перекладку руля з одного борту на інший за час t_р = 24 c при дії одного насоса і 13 с при спільній роботі двох насосів.

Методика виконання натурних експериментів була аналогічною описаній вище.

На рис. 10.4 представлені графіки зміни курсового кута φ і положення руля α в залежності від часу t при виконанні маневру «експлуатаційний» зигзаг т/х серії «Зоя Космодем'янська». Криві 1 і 3 відповідають режиму роботи рульової машини з одним насосом, а криві 2 і 4 – з двома насосами. Умови проведення експериментів: стан моря до 4 балів, генеральний курс прийнятий за нульове значення, перекладка руля від 25° одного борту до 25° іншого, частота обертання головного двигуна – 105 хв^–1, повний маневрений хід, параметр t_р = 24 і 13 c.

Аналіз отриманих кривих показує, що амплітуда відхилення судна від генерального курсу становить: по кривій 1 (працює один насос) А₁ = 10,4°; по кривій 2 (працюють два насоси) А₂ = 4,0°. Таким чином, А₂ зменшується в порівнянні з А₁ приблизно в 2,5 рази.

Період маневру судна по кривій 1 становить Т₁ = 150 с, а по кривій 2 – Т₂ = 84 с, тобто Т₂ зменшується в порівнянні з Т₁ в 1,8 рази. Ці результати свідчать про поліпшення маневрених характеристик суден серії «Зоя Космодем'янська» при роботі рульової машини в режимі двох насосів в порівнянні з одним, і це підтверджує доцільність використання такого режиму в складних навігаційних умовах.

Ці результати підтверджують попередній експеримент, а проведені випробування на інших суднах показали аналогічні результати.

В процесі натурних випробувань не обов'язково креслити графіки, подібні рис. 8.3 і 8.4. Можна використовувати штатний курсограф, який накреслить на стрічці зміну курсового кута.

Рис. 10.4 Графіки маневру «експлуатаційний» зигзаг т/х серії «Зоя Космодем'янська»

На рис. 10.5, а наведена курсограма т/х «Зоя Космодем'янська» при виконанні маневру «експлуатаційний» зигзаг. Позначення параметрів відповідають попереднім рис. 10.3 і 10.4. Вертикальна вісь представляє зміни курсового кута φ. Ділянка 1 курсограми відповідає роботі ГРМ з одним насосом, а ділянка 2 – спільній роботі насосів. Різниця параметрів: амплітуд 2 А₂ порівняно з 2 А₁ і періоду Т₂ порівняно з Т₁ очевидна.

Рис. 10.5 курсограма суден при виконанні маневру «експлуатаційний» зигзаг. «Зоя Космодем'янська»(а) і «Известия»(б)

На рис. 10.5, б показана курсограма маневру «експлуатаційний» зигзаг, виконаного т/х серії "Известия" (водотоннажність 17800 т).

Ці судна обладнані лопатевими рульовими машинами марки HS 180D і авторульовими типу «Decca Pilot 757». Їх гвинтові насоси постійної подачі забезпечують перекладку руля за 42 с при дії одного насоса і за 21 с – при їх спільній роботі. Зауважимо, що Правила Регістру допускають комплектацію такими насосами суховантажних суден.

Умови проведення експериментів: стан моря – штиль; перекладка руля від 30° одного борту до 30° іншого; швидкість судна – 7,5 уз. Час перекладки руля t_р = 42 і 21 с.

Маневр «зигзаг» виконувався за описаною вище методикою. Ділянка 2 відповідає режиму роботи рульової машини з двома насосами, а ділянки 1 – з правим і лівим насосами окремо. Параметри маневру «зигзаг» легко визначити за наведеною курсограмою: амплітуда А₁ = 18°, А₂ = 10°, Т₂ = 110 с.

Таким чином, при спільній роботі насосів амплітуда А₂ зменшується в порівнянні з А₁ в 1,8 рази, а період Т₂ порівняно з Т₁ – в 1,5 рази. Крім того, за даними РЛС, ширина смуги, яку займає «зигзаг», зменшується від 220 до 150 м, тобто в 1,5 рази.

Позитивний ефект поліпшення маневрених характеристик суден серії «Известия» аналогічний суднам серії «Зоя Космодем'янська», незважаючи на значну відмінність водотоннажності, швидкостей ходу і часу перекладки руля.

Однак зауважимо, що амплітуди А₁ і А₂ маневру «зигзаг» т/х «Известия» в порівнянні з А₁ і А₂ т/х «Зоя Космодем'янська» значно більші. Це пояснюється збільшеним часом перекладки руля і свідчить про суттєве погіршення поворотності судна. Судноводії т/х «Известия» підтверджують цей факт і говорять про складності управління судном при роботі одного насоса ГРМ (t_р = 42 с).

В процесі випробувань важливо було з'ясувати, чи зберігається ефект зменшення величин А₂ і Т₂ при різних швидкостях ходу судна і кутах перекладки руля. Для цього були досліджені відносні величини ΔА/А₁ і періоду коливань ΔT/Т₁ в залежності від кутів перекладки руля при різних швидкостях судна. Тут ΔА = А₁ – А₂ і Т = Т₁ – Т₂.

Було показано, що відносні величини ΔА/А₁ і ΔT/Т₁ складають відповідно 35-40% і 25-30% у всьому діапазоні кутів перекладки руля при різних швидкостях судна. Це свідчить про істотне поліпшення маневрених характеристик судна при роботі ГРМ в режимі двох насосів.

Результати описаних досліджень опубліковані в роботах [7-10].

Необхідно зауважити, що маневр зигзаг неоднозначно оцінювався фахівцями з керованості суден. Деякі з них вважають, що даний маневр не має достатньої інформативності. Можна погодитися з цією думкою лише для маневру «стандартний» зигзаг, який виявився нехарактерним для оцінки режимів роботи рульових машин.

Однак маневр «експлуатаційний» зигзаг має значну інформативність, тому може бути прийнятий для порівняльної оцінки режимів роботи ГРМ.

Відомий фахівець з керованості суден Р. Я. Першиц провів аналогічні дослідження маневру «експлуатаційний» зигзаг на тренажері і отримав близькі результати. Він фактично підтвердив у своїй опублікованій (1983 р) роботі [4, с. 199, 217, 226] результати проведених нами раніше натурних досліджень.

Таким чином, результати теоретичних і експериментальних досліджень свідчать про доцільність використання ГРМ (ЕГРМ) в режимі двох насосів для підвищення швидкості перекладки руля і відповідно покращення маневреності суден при плаванні в складних навігаційних умовах і при виконанні швартових операцій.

Однак при спільній роботі насосів можливі характерні відмови. Вони розглядаються нижче.