Версия без уравнения Бернулли.
История с «феноменом» присасывания судов друг другу при обгоне на малых расстояниях началась в далёком 1911 году, когда столкнулись гигантский суперлайнер того времени «Олимпик» (старший брат «Титаника») и крейсер ВМС Британии «Хоук».
Действия происходили так:
Крейсер "Хоук" шел попутным курсом на расстоянии около 3,5 миль (6,5 км) от «Олимпика».
Через какое то время, крейсер нагнал «Олимпик», и они пошли почти параллельными курсами, под небольшим углом друг к другу, медленно сближаясь. Оба судна шли со скоростью 15 узлов (около 28 км/час).
Потом произошло нечто необъяснимое: Внезапно крейсер «Хоук» резко вильнул влево и, как писали многочисленные газеты, буквально «бросился» на «Олимпик».
Рис.1.Пролом Борта лайнера «Олимпик» от столкновения с носом догонявшего его крейсера «Хоук». На фото по высоте пролома видно, что крейсер был сильно меньше лайнера.
Рис.2. Фото крейсера «Хоук» до столкновения и после столкновения с лайнером «Олимпик». Справа дыра в корме лайнера «Олимпик» от удара носом крейсера «Хоук».
Это первый зарегистрированный и подробно обсуждаемый в прессе случай, так как происшествие с участием таких морских гигантов замолчать было невозможно. Сам же «феномен» наблюдался и раньше, но лишь при маневрировании мелких судов, а потому в медийно-научную плоскость он не переходил.
Краткая суть «феномена» взаимного притяжения судов при обгоне.
Слово «феномен» заключено в кавычки потому, что объяснение ему до сих пор дано весьма мутное, также как и многим другим «феноменам» в гидро-газо-динамике. Наиболее часто встречается в «научной» литературе объяснение этого «феномена» с участием уравнения Бернулли. Именно это объяснение я и буду развенчивать.
При этом в сугубо практических указаниях ГИМС (Государственная инспекция по маломерным судам) данное явление также упомянуто (см.рис.3). Объясняется оно так же с упоминанием уравнения Бернулли, но при этом даются чёткие указания о рисках и способах их устранения при манёврах малых судов в зоне распространения волн от более крупных судов.
С точки зрения позиции ГИМС я и буду рассматривать выше названый «феномен».
Рис. 3 . Страница из методички ГИМС, где в одной главе рассказывается про волнообразование при движении судов и про эффект «присасывания судов» при параллельном движении.
Как проявляется «феномен» присасывания судов друг к другу при обгоне.
Ранее мною была опубликована статья про «Волны от кораблей» (ссылка ниже)
https://habr.com/ru/articles/755578/
В ней я достаточно подробно рассказал о том почему и как формируются волны от кораблей. Теперь, опираясь на предыдущую статью, можно проанализировать ситуации с обгоном малым кораблём большого водоизмещающего судна.
Представим, что на небольшой боковой дистанции от большого судна на параллельном курсе движется быстроходный катер.
Позади большого судна формируется достаточно сложная система носовых и закормовых волн (см.рис.4-6).
Рис.4. Явно видны сплошные водяные валы носовых волн, расходящихся от носов кораблей. Мелкая рябь на море остаётся и на самих носовых волнах, создавая иллюзию их раздробленности при фотографировании сверху. Также можно за первым кораблём разглядеть малозаметную полоску закормовой волны, то есть закормовая волна в разы ниже носовой волны.
Рис.5. Явно видны носовые волны, расходящиеся от носа гигантского контейнеровоза Панамакс шириной 32м (12 контейнеров 12х2,5м по ширине + обходная дорожка 1 м с каждой стороны, итого 12*2,5+1*2=32м). Также можно за кормой разглядеть малозаметные полоски закормовых волн, при этом в зоне сужения кормы в пределах корабля возле кормы (снизу на фото, где нет возмущений от зелёного катера) возмущения от обратной волны нет вовсе.
Рис.6 Система волн от самого крупного в мире круизного лайнера типа «Оазис». Вид с кормы. Именно эти гряды волн должен форсировать катер при обгоне лайнера. На переднем плане расходящаяся веером рябь закормовых волн. На самом деле это не «рябь», а ряды достаточно высоких водяных валов, если их оценивать в сравнении с масштабом гигантского лайнера. При этом на фото явно видно, что хорошо выраженная носовая волна на заднем плане оказывается массивнее более близких закормовых волн.
Рис.7 Система волн от самого крупного в мире круизного лайнера типа «Оазис». Вид с носа. Именно эти гряды волн должен форсировать катер при обгоне лайнера. На переднем плане расходящаяся веером рябь носовых волн, при этом сплошной вал волны от корабля дробится на отдельные бугры на пересечении с рядами волн морской зыби. На самом деле это не «рябь», а ряды достаточно высоких водяных валов, если их оценивать в сравнении с масштабом гигантского лайнера.
Волны расходятся рядами крупных валов воды от носа и кормы под острыми углами к курсу (около 20 градусов).
Тогда в какой- то момент догоняющий катер сближается сначала с задней закормовой грядой водяных валов и сталкивается с ними. При этом столкновение катера с волнами происходит под тем же острым углом в 20 градусов, или даже с более острым углом (для кильватерных струй).
Такое столкновение с волной не под прямым углом всегда вызывает одно и тоже воздействие на катер, а именно: следует удар в одну из скул носа катера, после чего катер разворачивает вдоль волны на пересечение курса большого корабля.
Первое столкновение с закормовой волной может привести к тому, что катер вылетит в кильватерную струю с риском попасть под винты большого судна.(см.рис.8-А)
Пересечь кильватерную струю под острым углом катер тоже не сможет, так как на выходе он встретится со второй половиной «усов» закормовых волн, после столкновения с которыми катер опять завернёт в кильватерную струю под винты корабля.
Единственным правильным выходом из ситуации будет резкое торможение и разворот в обратную сторону, чтобы уйти от большого корабля назад и побыстрее. (см.рис.8-Б)
Рис.8.Варианты обгона катером большого судна на близком расстоянии через большую кормовую волну: А- неудачная попытка с ударом в корму обгоняемого судна; Б- безаварийное прекращение манёвра с торможением и отставанием.; В- благополучный исход с пересечением кильватера и пересечением кормовых волн под прямым углом с уходом на противоположную сторону от обгоняемого судна.
Повторить обгон можно будет на большем удалении от большого корабля, где волны станут пониже, а опасность встречи и столкновения с большим судном окажется подальше.
Ровно такое решение озвучивает и ГИМС в своей методичке в отдельном параграфе:
Глава XII . ВОЛНООБРАЗОВАНИЕ И ПРИСАСЫВАНИЕ ДВИЖУЩИХСЯ СУДОВ
§ 48. ПРИСАСЫВАНИЕ СУДОВ
Полный текст см. по ссылке https://gimsyaroslavl.narod.ru/59/59_12_48.htm
Приведу только наиболее значимые и лаконичные пункты (с которыми я полностью согласен) из вышеназванной главы методички ГИМС:
Основные правила обгона и расхождения следующие:
1) при обгоне и расхождении суда должны проходить возможно дальше друг от друга;
2) на узких фарватерах, на реках, в каналах расходящиеся суда должны снижать скорость до самой малой;
3) при первом признаке присасывания между двумя примерно одинаковыми по величине судами следует остановить ход.
Надо помнить, что при присасывании судно плохо слушается руля, если даже руль положен на борт.
4) обгон маломерным судном судна более крупного по водоизмещению должен происходить так, чтобы обгоняющее меньшее судно выходило на обгон вне зоны кормового волнообразования его. Категорически запрещается маломерным судам обгонять большие суда из-под кормы их. Это ведет не только к потере управления, но и к опрокидыванию малого судна кормовой системой волн, подсасыванию его при сходе с кормовой системы волн обгоняемого судна во впадину его и т. д.
Целесообразно выходить на обгон меньшим судном большего, предварительно выйдя из зоны волнообразования обгоняемого судна на расстоянии не меньшем, чем одна длина корпуса обгоняемого судна при достаточной ширине фарватера.
Следует помнить, что, оканчивая обгон, нужно держаться как можно дальше от носовой части обгоняемого судна; невыполнение этой рекомендации влечет за собой попадание обгоняющего судна под форштевень большего обгоняемого судна. Это может стать причиной гибели не только маломерного судна на внутренних водных путях, но и причиной гибели больших морских судов, обгоняющих еще большие корабли.
Столкновение катера с носовой волной при обгоне.
Если катер имеет достаточную скорость и удачно сманеврировал, то он может перескочить закормовую волну от большого судна и оказаться вблизи его борта. Но обгон ещё не закончен, и впереди ещё находится вал из носовых волн. При этом мы уже знаем, что носовые волны от кораблей больше и резче выражены, чем закормовые.
При движении катера вдоль борта большого корабля на малой дистанции (меньше длины большого корабля), катер сначала попадёт в зону «водяной ямы» за скулой носа большого корабля. В этом месте вода имеет завихрение и наклон поверхности воды в сторону борта, а не горизонтальное спокойное состояние, привычное для водной глади.
Уклон «водяной ямы» мало заметен на глаз, но катер получает весьма сильное воздействие от силы тяжести на водном склоне, что заставляет катер сползать боком в сторону борта большого судна по уклону «водяной ямы».
Катер всё ещё движется на обгон большого корабля в районе его носового обвода, но уже имеет поперечную скорость на сближение с бортом обгоняемого плавсредства. При этом при движении по склону «водяной ямы» нос катера самопроизвольно доворачивается в сторону наибольшей крутизны склона, то есть по градиенту в сторону борта судна.
И в этот момент катер натыкается на вал воды от носовой волны судна. Этот вал оказывается выше уже преодолённой закормовой волны и круче пройденной «водяной ямы».
Встреча с носовой водяной волной происходит уже под более острым углом, чем 20 градусов.
Такая встреча с волной на небольшой относительной скорости (из скорости катера нужно вычесть скорость обгоняемого судна) приводит к ситуации, что остатка скорости не хватает для восхождения на водяной холм по уклону, при этом запаса тяги на винте для продолжения движения в гору у катера тоже нет.
В итоге катер тормозится на носовой волне и начинает сползать по градиенту волны назад и в сторону борта большого корабля. В дополнение к этому нос катера доворачивается волной в сторону обгоняемого судна, также как и при пересечении закормовой волны.
Результатом всего этого становится ситуация, что катер с недостатком тяги неизбежно движется по заднему склону носовой волны вдоль самой волны и врезается в борт обгоняемого судна под углом близким к 20 градусам.
Именно так произошло при столкновении крейсера «Хоук» при обгоне на много более крупного лайнера «Олимпик». Крейсер выполнял роль катера с недостатком мощности и скорости, а «Олимпик» был самым тяжёлым и самым быстроходным судном того времени, генерируя невиданные до тех пор волновые валы в качестве носовой и кормовой волн.
При этом «Хоуку» хватило даже более слабой кормовой волны, чтобы воткнутся носом в корму «Олимпика» (см.фото.1-2)
Численная оценка высоты волн и крутизны водяных склонов.
Глядя на фото волн (см.рис.4-6) и зная скорость судна можно оценить как ширину волн (по фото) так и их высоту (по динамическому напору).
Из ширины и высоты волны можно вывести значение среднего уклона на волне, который должен преодолеть катер при обгоне большого судна.
Высота волны определяется максимальным напором на скуле носа судна, который по максимальной оценке примем в 40 градусов, что даст sin40=0,64 от максимального лобового напора 24кПа с высотой вала на форштевне 2,4м при 14 узлах (7м/с). Тогда на скуле основной вал носовой волны составит
Нск=0,64*2,4=1,5м
Ширину вала между тёмными впадинами можно оценить по фото (см.рис.2), где в качестве равной величины выступит ряд из 3- контейнеров по 2,5м шириной.
Итого: ширина волны отдельного вала составит около Lв=3*2,5=4,5м
Тогда уклон составит
Нск/(0,5*Lв)= 1,5м/(0,5*4,5)=0,66 или 66%
Уклон такой крутизны невозможно преодолеть даже на машине по асфальту, где уклон 50% (угол около 30 град, это как наклон эскалатора в метрополитене) является предельным по сцеплению и тяге трансмиссии.
Если предположить, что на фото тихий ход в 7 узлов, то высота вала уменьшится в 4 раза, а уклон станет равен 16%.
Но даже 16% уклона волны является непреодолимым препятствием, так как для вхождения на уклон потребуется тяга винта в 16% от массы катера.
Исходя из ранее проведённых расчётов удельная тяга для танкера Панамакс с водоизмещением 120 тыс.тон и тягой винта 150 тонн составит
Fуд =150/120000=0,0125 или 1,25% преодолеваемого уклона.
При такой низкой энерговооружённости даже гигантские суда могут ходить только по относительно спокойной воде.
Если же волны в шторм становятся слишком большими, то судно теряет ход. Единственное на что способно судно на высокой (относительно высоты судна) волне - это удерживать свой курс поперёк волны, чтобы его просто не опрокинуло и не залило сверху волной.
Именно так волны в шторм выбрасывают суда на берег и скалы, хотя ГЭУ судов работали на полную мощность всё время шторма. Сопротивляться шторму и идти в шторм произвольным курсом пока не способно ни одно надводное судно. И только подводные лодки на большой глубине защищены от губительного воздействия штормовых волн.
Необходимая энерговооружённость катеров для преодоления волн от больших кораблей.
Для морского катера Зодиак весом в 1 тонну и мощностью мотора 250л.с. с развиваемой скорость 35-45 узлов (64-83км/ч=17-21м/с) имеет тягу на винте
F винт=250*0,735*0,7/21=6,12 кН или 624 кгс
Fуд =60/1000= 0,6 или 60%
То есть катер зодиак с относительной тягой в 60% сможет преодолеть затяжной уклон носовой волны в 16% с большим запасом, а может и перелететь её ходом.
Рис.9-А. Катер Зодиак с двигателем 150л.с.
Рис.9-Б. Катер Зодиак с двигателем 250л.с.
Так для преодоления ходом волны 1,5м необходима скорость из соотношения равенства кинетической и потенциальной энергии, при этом на гребне волны должна быть остаточная скорость не менее скорости хода обгоняемого судна:
m*(Vк-Vc)^2/2=m*g*h
откуда (Vк-Vc)=( g*h*2)^0,5
(Vк-Vc)=( 9,81*1,5*2)^0,5=5,43м/с или 19км/ч.
При предполагаемой скорости малого хода обгоняемого судна в 7 узлов (3.5м/с =13км/ч)
Скорость катера должна составить
Vк=19+13=32км/ч
То есть для обгона судна с ходом 13км/ч нужен катер со скоростью не менее 32км/ч, а на меньшей скорости катер просто зависнет на обратном склоне волны и уйдёт на столкновение под нос судна.
Можно предположить, что свободная тяга на крюке (тяга на гаке буксировщика) почти линейно растёт с уменьшением скорости (см.рис.10), но даже тогда для обгона через носовую волну танкера потребуется не менее, чем 3-кратное превышение скорости катера на ровной воде над скоростью обгоняемого судна.
То есть силовой обгон катером по высокой волне возможен только если катер способен разгонятся до 3-х кратной скорости обгоняемого судна. Именно для таких обгонов нужен мощный Зодиак (см рис.9-Б) со скоростью до 45 узлов (80км/ч).
Рис.10. Графики изменения свободной тяги на крюке у буксира в зависимости от скорости буксировки.
Если обгоняющее судно много длиннее ширины носовой волны (портовая баржа снабжения на полном ходу обгоняет супертанкер на малом ходу), то требования к разнице скоростей двух судов значительно мягче, так как длинное и тяжёлое обгоняющее судно не будет взбираться на короткую волну, а прорежет её.
Тем не менее, такая баржа тоже получит удар в скулу от косой волны с доворотом носа на пересечение курсов, что может привести к столкновению судов носами или попадание малой баржи под форштевень большого судна уже после пересечения вала носовых волн.
Особенности маневрирования при обгоне крупного судна.
Маневрирование судном отличается от привычного маневрирования на автомобиле.
У автомобиля поворачивают передние колёса, а машина следует за ними.
У судна же всё наоборот: поворачивается руль для поворота направо, а вместо этого идёт заброс кормы влево. Это как при рулении задними колёсами, например у складских вилочных погрузчиков.
Такой режим поворота играет злую шутку при обгоне более крупных судов на косой к курсу волне.
Так в момент всхода носа на волну следует удар волны в скулу, из-за чего нос начинает смещаться в сторону обгоняемого судна.
При начале смещения носа к соседнему кораблю капитан малого судна отдаёт команду на поворот с малым компенсирующим углом в другую сторону.
Но малый поворот штурвала не даёт ожидаемого результата, а вместо этого корма начинает двигаться в ту же сторону, что и нос, то есть навстречу к соседнему кораблю.
В результате обгоняющее судно как бы само параллельно смещается к обгоняемому судну навстречу столкновению. Именно так возникло ОЩУЩЕНИЕ у наблюдателей, что «корабли присасывает друг к другу».
Именно такое поведение корабля и отказ адекватно реагировать на поворот руля и породили легенду о самостоятельном «присасывании» одного судна к другому при обгоне.
Для предотвращения столкновения необходимо не слегка поворачивать руль, а резко перекладывать его на борт, разворачивая свой корабль поперёк волны под сильным углом к прежнему курсу, чтобы набегающий под большим углом встречный поток начал сдвигать обгоняющее судно от большого судна в сторону. В этом случае есть риск зацепить своей кормой борт обгоняемого судна (см.рис.11-Б), но такой исход гораздо менее катастрофичен, чем попадание под форштевень или столкновение носами на полном ходу (см.рис.11-А).
Если такой манёвр с резким разворотом наружу пытаются провести в узких пространствах каналов и проливов, то малое судно почти неизбежно будет выброшено волной либо на стенку канала, либо ударится в борт обгоняемого корабля.
Таким образом, в узких каналах обгон вообще лучше не совершать.
Рис.11.Варианты обгона катером большого судна на близком расстоянии через большую носовую волн: А-с ударом своим носом в скулу обгоняемого судна на полном ходу; Б- с ударом своей кормой в борт обгоняемого судна; В- Благополучный исход с прекращением обгона и отставанием от обгоняемого судна.
Версии-11-1 и 11-2 отличаются только расположением подписей, а по содержанию они одинаковы. Нарисовал два варианта и не смог выбрать лучший. Хотел узнать кому что больше понравилось.
Рис.12.Варианты обгона катером большого судна на близком расстоянии через большую кормовую волну: А- неудачная попытка с ударом в корму обгоняемого судна; Б- безаварийное прекращение манёвра с торможением и отставанием.; В- благополучный исход с пересечением кильватера и пересечением кормовых волн под прямым углом с уходом на противоположную сторону от обгоняемого судна.
Встречное расхождение судов.
При встречном расхождении судов также происходит встреча с волнами от встречных судов. Но это не так опасно как при обгоне.
В случае встречного расхождения всегда присутствует значительный запас скорости у каждого судна, так как скорости корабля и встречной волны складываются, и практически не возникает ситуация зависания на склоне волны (как это делают серфингисты, несясь вдоль склона волны с небольшим уклоном) (см.рис.6-А).
При наезде судна на носовую волну встречного судна нос своего корабля сдвигается уже от встречного корабля.
В этом случае чисто рефлекторное слабое отклонение рулевого пера в противоположную сторону может оказаться правильным решением. При этом корма начнёт двигаться вместе с носом, обеспечив небольшой параллельный сдвиг всего судна вбок от встречного судна (снос в сторону стенки канала) без разворота курса всего судна.
Дополнительные маневровые винты поперечной тяги в носах судов.
Весьма сложно маневрировать длинным тяжёлым судном одним рулевым пером сзади.
Для решения этой проблемы на крупных судах начали ставить винты поперечной тяги в носовых обводах корпуса, иногда прямо в носовом бульбе. (см. рис.13).
Этот винт в носу как раз и помогает заносить нос куда надо при маневрировании в тесном порту.
Без носовых подруливающих поперечных винтов крупные суда неизбежно обращаются за помощью к портовым буксирам, которые обеспечивают сдвигание носов и кормы кораблей в бок без включения винтов прямого хода у самого судна. Для улучшения маневрирования на малых скоростях и при подходе к причальным стенкам такие поперечные винты начали ставить и на корме в килевых гребнях (см.рис.14-16)
Из-за малой мощности поперечных винтов они не способны справиться с кратковременными мощными возмущениями от одиночных носовых волн как при встречных расхождениях судов, так и при обгонах. (см.рис.13)
Рис.13. Рекламный рисунок из какой-то презентации по тоннельным подруливающим винтам поперечной тяги на судах.
Рис.14. Крупный план с видом на тоннельный подруливающий винт поперечной тяги в носовом бульбе судна. Диаметр подруливающего винта всего около 2м, что несравнимо с главным винтом Афрамакса диаметром 9м ( отношение площадей 4:81=1:20 то есть 20-кратное отличие в тяге).
Рис.15. Носовые тоннельные подруливающие винты поперечной тяги встречаются и на совсем небольших судах, в данном случае вообще на небольшом катере.
Как правило, на больших танкерах носовых поперечных винтов не устанавливают, чтобы сэкономить как на лишнем весе оборудования, так и на стоимости самого редко используемого дорогого дополнительного оборудовании. Оказывается, что при редких швартовках на длинных межконтинентальных рейсах большим танкерам дешевле нанять буксир в порту.
Носовых подруливающих винтов также нет и на гигантских американских авианосцах, так как в порты они заходят исключительно редко ( для длительных плановых ремонтов), а их снабжение осуществляется без заходов в порт с малых кораблей, идущих за авианосцем в ордере (см.рис.18).
Хотя на отдельных судах типа гигантского круизного лайнера «Оазис» , который больше авианосца как по длине (360м против 337м) , так и по водоизмещению(132 тыс.т против 112тыс.т) на носу установлено аж 4 штуки параллельно работающих тоннельных винта (см.рис.19) суммарной мощность 4х5,5=22 МВт. А в корме лайнера маневрирование осуществляется наличием трёх Азиподов (по 20МВт каждый) в качестве главных движителей судна на корме. (см.рис.19). Суммарная мощность электрогенераторов в ГЭУ лайнера составляет 97 МВт.
У круизных лайнеров и контейнеровозов наблюдается избыток полезной грузоподъёмности из-за низкой объёмной плотности груза (пассажиры или полупустые морские контейнеры), что позволяет установить подруливающие винты в бульбах носов и тем самым сократить время на частых ожиданиях буксиров в портах, а также с экономить на услугах самих буксиров.
Рис.16. Крупный план с видом на тоннельные подруливающие винты поперечной тяги (целых 3 штуки в ряд) в килевом гребне на корме судна. Судно сравнительно малой осадки, судя по шкале за стойкой винта осадка всего чуть более 6м ( у Панамакса осадка 12м).
Рис.17. Макет круизного судна. Крупный план с видом на тоннельные подруливающие винты поперечной тяги (2 штуки в ряд) в килевом гребне на корме судна.
Рис.18 Американский авианосец в доке. Подруливающие тоннельные винты в носовом бульбе отсутствуют, так как авианосцы в порты заходят крайне редко, и ему не нужно с собой таскать редко используемое сложное швартовочное оборудование.
Рис.19 Мегалайнер типа «Оазис» в доке. Подруливающие тоннельные винты в носовом бульбе установлены в количестве аж 4 штуки. Это позволяет осуществлять частые заходы в порты без потерь времени и денег на привлечение местных буксиров.
Рис.20. Вид на корму лайнера типа «Оазис». В качестве главных винтов установлены три Азипода мощностью по 20 МВт каждый, которые способны разогнать лайнер до 22 узлов (40км/ч). Осадка мегалайнеров серии «Оазис» составляет всего 9 метров, при ширине корпуса 47 м по ватерлинии. Круизные лайнеры- это широкие плоскодонки, в сравнении с осадкой 15м у танкеров Афрамакс при ширине в 42 м.
рис.Рис.21. Вид на корму лайнера типа «Оазис». В качестве главных винтов установлены три Азипода мощностью по 20 МВт каждый. Видна относительно небольшая осадка мегалайнеров серии «Оазис», которая составляет всего 9 метров, при ширине корпуса 47 м по ватерлинии. Круизные лайнеры выполнены как широкие плоскодонки, так как плоский и широкий водоизмещающий корпус обеспечивает максимальную остойчивость для высоченной надстройки круизного судна.
Рис.22. Сравнение самых больших пассажирских судов своего времени: Титаник в начале 20-го века и лайнер типа «Оазис» в начале 21-го века. «Оазис» тяжелей «Титаника» в 2,5 раза (130/55тыс.тонн), мощности ГЭУ также отличаются в 2,5 раз (97/40тыс.кВт). Крейсерская скорость у лайнеров одинаковая- 22 узла. На рисунке ошибка: высота "Оазиса" действительно 72 м, но от киля (9м под воду) и до трубы (ещё метров 15 выше верхней палубы).
Рис.23. Сравнение самых больших судов своего времени: Титаник в начале 20-го века, Линкоры середины 20-го века и лайнер типа «Оазис» в начале 21-го века.
Для часто маневрирующих в портах мощных судов становится актуальным замена комбинации из стационарных задних ходовых винтов и маневровых поперечных винтов на единый поворотный тягово-маневровый винтовой агрегат, который называют «Азипод» (торговое название фирмы АВВ) (см.рис.20-21,24-25).
При этом установка двух-трёх независимо поворачивающихся азиподов сзади судна позволяет добиться сверхманевренности судна в порту, особенно при наличии поперечных винтов в носу судна.
Рис.24.. Гигантские поворотные винто-рулевые колонки (азиподы) под кормовым свесом не менее гигантского судна. Судя по высоте до ватерлинии (более 8 ростов человека) это судно класса Афрамакс, то есть осадка около 15м. Интересно, что для азиподов выгодным становится направление винтами вперёд, как на самолётах. Винты на валах назад – это было вынужденным компоновочным решением для ГЭУ с прямым приводом от ДВС на валы винтов.
Рис.25. Три винто-рулевые колонки (азиподы) под кормой гигантского судна. Направление винтами вперёд является основным. Это можно определить по направлению каплевидного сечения пера азипода, у которого передний обвод закруглённый, а задняя кромка острая, как и на обычных перьях рулей со стационарными винтами на валах. Три азипода с винтами меньшего диаметра уменьшают пустующий объём кормы над винтами и повышают надёжность ГЭУ в случае отказа одного азипода, так как теряется только 33% тяги ( вместо потери 50% при отказе одного из двух азиподов). Также изготавливать и эксплуатировать дешевле менее крупные агрегаты в бОльших количествах.
АЗИПОД- или винто-рулевая колонка.
Азипод- это устройство с электродвигателем (см.рис.26).
На судне с азиподами ГЭУ превращается в более сложную систему, где от ДВС-электрогенератора запитывают по проводам электродвигатели в азиподах (с прямым приводом на гребной винт от электродвигателя, то есть без дополнительных громоздких редукторов).
Хоть система с азиподом более сложная, но она обладает лучшими эксплуатационными характеристиками. Так высокооборотистые двигатели дизель-электрогенераторов гораздо легче и компактнее, чем огромные тихоходные дизеля с прямым приводом на вал винта (см.рис.27). Один огромный судовой ДВС можно заменить на каскад маломощных дизель-электрогенераторов (работающих параллельно на общую нагрузку), тем самым облегчая компоновку судна и делая более гибкой систему управления мощностью гибридной ГЭУ.
К тому же в такой системе меньше критически важных и незаменимых гигантских изделий типа главный вал гребного винта или главный двигатель прямого привода на вал, что повышает надёжность и сокращает сроки простоев в случае ремонта.
Для круизного лайнера сверх гигантские тихоходные ДВС вообще не применимы, так как их низкочастотные вибрации почти невозможно погасить в стальном корпусе лайнера, а пассажирам такой вибрационный фон крайне неприятен.
Рис.26.. Внутреннее устройство азипода. Синхронный электродвигатель способен работать в режиме генератора, что позволяет ему работать генератором-рекуператором при активном торможении судна двигателями. При этом один двигатель азипода работает генератором, а сбрасывает энергию на другой азипод, работающий в режиме реверсного хода.
Рис.27. Огромный тихоходный дизельный двигатель для мегаконтейнеровоза. 14-цилиндровый Wartsila — Sulzer (Зульцер) 14RTA96-C (таково полное наименование судового дизеля) весит 2300 тонн в сухом виде (без масла и прочих технических жидкостей). Вес коленчатого вала составила 300 тонн. Длина судовых дизелей достигает — 26,7 метра, а высота — 13,2 метра. Мощность двигателя 80 МВт (109 тыс.л.с).
Ссылка на статью про мега-дизель https://www.drive2.ru/b/1419422/
Рис.28. Характеристики огромного тихоходного дизельного двигателя 14-цилиндровый Wartsila — Sulzer (Зульцер) 14RTA96-C , который установлен на мегаконтейнеровоз «ЭММА Маерск». Двигатель уникален тем, что его КПД превышает 50% при половинной мощности. Ради такого повышения КПД его сделали двухтактным и тихоходным, при этом удельная мощность на объём цилиндра составляет всего 4,3л.с./л, тогда как на высокооборотистых четырёхтактных автомобильных дизелях удельная мощность достигает и 100л.с./л (но с КПД 35%). Таким образом, гигантский дизель хоть и огромен, но очень экономичен по расходу топлива.
Рис.29. Супер контейнеровоз «ЭММА Маерск», для которого предназначен гигантский дизельный двигатель с мощностью 80 МВт. При длине 397м и ширине 56м водоизмещение гигантского судна составляет всего 101 тыс.т, что сильно меньше тоннажа куда более компактных барж Афрамакс (250х44м) с водоизмещением 117 тыс.т. и мощностью ГЭУ до 117 МВт. Контейнеры- это очень лёгкий и рыхлый груз, с крайне низкой удельной плотностью. Так максимальная масса контейнера составляет 30 тонн (масса пустого контейнера 3 тонны), при объёме контейнера 12х2,5х2,5=75м3.
Таким образом, максимальная плотность груза составляет не более 30/75=0,4т/м3, то есть в 2 раза легче сырой нефти. Вот и приходится загружать гигантские суда высоченными штабелями пустых и полузагруженных контейнеров с реальной загрузкой судна в 20-30% от максимально допустимой. При этом экономичный и тяжёлый гигантский ДВС в трюме над килем оказывается вполне оправданным решение в качестве главного балласта.
Рис.29-Б. Похожий по размеру на «ЭММА Маерск» контейнеровоз "Евергрин" длиной 400м и шириной 59м , который заблокировал Суэцкий канал в марте 2021 года, перегородив его поперёк целиком на 6 дней. Правда двигатель у гиганта был сильно слабее и меньше, всего-то 59 МВт
Рис.29-В. Мега контейнеровоз "Евергрин" G-класса длиной 400м и шириной 59м , который заблокировал Суэцкий канал в марте 2021 года, перегородив его поперёк целиком на 6 дней..
Рис.30. Сравнение размеров гигантских морских судов разных классов.
КПД винта Азипода
Интересно отметить, что Азиподы имеют повышенный КПД (где-то до 8%), чем у такого же винта на прямом валу из корпуса.
Эта прибавка к КПД получается от расширяющегося корпуса гондолы электродвигателя позади гребного винта.
Так позади винта в зоне расширения веретёнообразного корпуса Азипода действует сильное разрежение от вихревого потока с гребного винта (по расчёту около 0,08атм).
Это разрежение создаёт на конической поверхности дополнительную тягу вперёд, отбирая энергию от потерь КПД на закручивание потока гребным винтом.
Подобный же эффект используют в кольцевых насадках на винт. Только в кольцевом насадке используют повышенное давление на периферии закрученного потока воды после схода его с гребного винта (см. рис.31).
Рис.31. Получение дополнительной тяги (Fтяги) и повышение КПД гребного винта на 8% за счёт использования центростремительного давления (Fрв) от вихревого потока с гребного винта: А- избыточное давление на конической поверхности при расширении кольцевого насадка толкающего гребного винта; Б- разрежение на конической поверхности при расширении корпуса азипода после тянущего гребного винта.
Можно даже попробовать оценить такую прибавку от конических колец.
Если принять их ширину 10% от радиуса, то площадь кольца составит
Sк=0,1 R*2*3,14*R=0,68*R^2
Сила тяги кольца при давлении вихря Рв=8кПа составит
Fк=8*0,68*R^2= 5,44*R^2
Площадь самого винта составит:
Sк= 3,14*R^2
Сила тяги винта при давлении Рв=24 кПа составит
Fв=24*3,14*R^2= 75*R^2
Откуда прибавка тяги от кольца составит
Fк/ Fв=5,44/75=0,072 или 7,2%
То есть мы получили весьма точное попадание расчёта в цифру 8% прибавки КПД из рекламных данных по кольцевым насадкам и Азиподам.
Заключение.
В результате рассмотрения задачи оказалось, что для её решения вовсе не требуется использовать уравнение Бернулли.
При этом необходимо реально оценивать грандиозность волновых структур, создаваемых существующими крупнотоннажными судами не только на их крейсерских скоростях, но и даже на малом ходу.
До начала производства особо крупных и чрезвычайно быстроходных лайнеров типа «Олимпик» (со скоростью до 30 узлов), проблему с волнообразованием от крупных судов просто никто не замечал, а трудности мелких лодок на волнах от больших судов вообще никого не интересовали.
И только столкновение суперлайнера с бронепалубным крейсером ( где малым судном оказался именно крейсер) возбудило интерес к «феномену присасывания судов к друг другу при обгоне в узком канале».
На начало 20-го века теоретическая наука была в зачаточном состоянии и являлась уделом скучающих аристократов.
Именно по этому сразу признали правильным первое же озвученное наукообразное объяснение причины столкновения, которое было невразумительным, но было сделано со ссылкой на уравнение Бернулли.
Уравнение Бернулли к тому времени уже укоренилось в науке и было признанное всеми за давностью лет (Бернулли умер в 1782 году, то есть более 120 лет назад на тот момент) , а также из-за великолепной экспериментальной доказанности его положений.
Так экспериментами со стеклянными пьезометрическими трубками и рукотворными фонтанами развлекались как аттракционами даже на светских околонаучных раутах, а что видел сам – тому и веришь. Ну, а гигантских волн от новых быстроходных кораблей на тот момент никто особо не видел. Ведь тогда не было смартфонов с фотоаппаратами высокого разрешения у всех вокруг, и отсутствовал интернет для публикации массы всяких форточек на любую тему.
Это сейчас на любую версию можно за несколько минут в интернете нарыть гигантский объём подтверждающих или опровергающих фотоматериалов. Да и публиковать результаты научных работ сейчас на несколько порядков легче, чем в век бумажно-печатных научных журналов.
Автор:
iMonin
