Качкой называются колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия.
Колебания называются свободными (на тихой воде), если они совершаются судном после прекращения действия сил, вызвавших эти колебания (шквал ветра, рывок буксирного троса). Из-за наличия сил сопротивления (сопротивления воздуха, трения воды) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются. Колебания называются вынужденными , если они совершаются под действием периодических возмущающих сил (набегающие волны).
Качка характеризуется следующими параметрами (рис. 8): амплитудой θ - наибольшим отклонением от положения равновесия; размахом - суммой двух последовательных амплитуд; периодом Т - временем совершения двух полных размахов; ускорением .
Качка затрудняет эксплуатацию машин, механизмов и приборов из-за воздействия возникающих сил инерции, создает дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса судна, оказывает вредное физическое воздействие на людей.
Рис. 8. Параметры качки: θ 1 и θ 2 амплитуды; θ 1 + θ 2 размах.
Различают бортовую, килевую и вертикальную качку. При бортовой качке колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна, при килевой - вокруг поперечной. Бортовая качка при малом периоде и больших амплитудах становится порывистой, что опасно для механизмов и тяжело переносится людьми.
Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить по формуле Т = c(B/√h, где В - ширина судна, м; h - поперечная метацентрическая высота, м; с - коэффициент, равный для грузовых судов 0,78 - 0,81.
Из формулы видно, что с увеличением метацентрической высоты уменьшается период качки. При проектировании судна стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. При плавании на волнении судоводитель должен знать период собственных колебаний судна и период волны (время между набеганием на судно двух соседних гребней). Если период собственных колебаний судна равен или близок периоду волны, то наступает явление резонанса, которое может привести к опрокидыванию судна.
При килевой качке возможно либо заливание палубы, либо при оголении носа или кормы их удары о воду (слеминг). Кроме того, ускорения, возникающие при килевой качке, значительно больше, чем при бортовой. Это обстоятельство должно учитываться при выборе механизмов, устанавливаемых в носу или в корме.
Вертикальная качка вызывается изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Период вертикальной качки равен периоду волны.
Для предотвращения нежелательных последствий от действия качки судостроители применяют средства, способствующие если не полному прекращению качки, то по крайней мере умерению ее размахов. Особенно остро стоит эта проблема для пассажирских судов.
Для умерения килевой качки и заливания палубы водой у ряда современных судов делают значительный подъем палубы в носу и в корме (седловатость), увеличивают развал носовых шпангоутов, проектируют суда с баком и ютом. При этом в носу на баке устанавливают водоотбойные козырьки.
Для умерения бортовой качки применяют пассивные неуправляемые или активные управляемые успокоители качки.
К пассивным успокоителям относят скуловые кили , представляющие собой стальные пластины, устанавливаемые на протяжении 30 - 50 % длины судна в районе скулы вдоль линии тока воды (рис. 9). Они просты по устройству, уменьшают амплитуду качки на 15 - 20%, но оказывают значительное дополнительное сопротивление воды движению судна, уменьшая скорость хода на 2-3 %.
Рис. 9. Схема действия скуловых (боковых) килей.
Пассивные цистерны - это цистерны, устанавливаемые по бортам судна и соединенные между собой внизу переливными трубами, вверху - воздушным каналом с разобщительным клапаном, регулирующим переливание воды с борта на борт. Можно так отрегулировать сечение воздушного канала, что жидкость при качке будет переливаться с борта на борт с запаздыванием и тем самым создавать кренящий момент, противодействующий наклонению. Эти цистерны эффективны при режимах качки с большим периодом. Во всех прочих случаях они не умеряют, а даже увеличивают ее амплитуду.
В активных цистернах (рис. 10) вода перекачивается специальными насосами. Однако установка насоса и автоматического устройства, управляющего работой насоса, значительно усложняет и удорожает конструкцию.
Рис. 10. Активные успокоительные цистерны.
В настоящее время на пассажирских и научно-исследовательских судах чаще всего применяют активные боковые рули (рис. 11), представляющие собой рули обычного типа, устанавливаемые в наиболее широкой части судна несколько выше скулы почти в горизонтальной плоскости. С помощью электрогидравлических машин, управляемых по сигналам от датчиков, реагирующих на направление и скорость наклонения судна, можно менять их угол атаки. Так, при наклонении судна на правый борт на рулях устанавливают угол атаки таким, чтобы возникающие при этом подъемные силы создавали моменты, обратные наклонению. Эффективность рулей на ходу достаточно высока. При отсутствии качки рули убирают в специальные ниши в корпусе, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. К недостаткам рулей можно отнести их малую эффективность при малых ходах (ниже 10 - 15 уз) и сложность системы автоматического управления ими.
Рис. 11. Активные боковые рули: а - общий вид; б - схема действия; в - силы, действующие на боковой руль.
Успокоителей для умерения килевой качки не существует.
Следует отметить, что подводные суда и суда с малой площадью ватерлинии практически не испытывают качки и, следовательно, отсутствует необходимость оборудования этих судов устройствами для ее умерения.
При плавании судно подвергается качке лишь на взволнованной поверхности моря. При спокойной поверхности (на тихой воде) качку можно вызвать только искусственно. Основной причиной возникновения морских волн является кинетическая энергия ветра. Поведение судна на волнении зависит от характера волнения и характеристик самого судна, например его остойчивости, загрузки, формы корпуса, главных размерений, скорости и направления движения в данный момент по отношению к волне, наличия скуловых килей и т.д.
Колебательное движение судна представляет взаимосвязанную комбинацию трех видов качки: бортовой, килевой и вертикальной.
Период бортовой качки судна на тихой воде в сек, т.е. время, в течении которого судна наклонилось и встало - период собственных колебаний, можно получить по приближенной формуле
ТQ = k B/ , где коэффициент k = 0,77 – 0,8 зависит от типа судна и состояния нагрузки.
приближенные значения периодов килевой ТY и вертикальной качки Тz
ТY = Тz = 2,4 .
Важной характеристикой качки на волнении является амплитуда (наибольший угол наклонения судна по отношению к горизонту). Амплитуда во многом зависит от соотношения периода качки судна на тихой воде и периода волны.
Период волны – время в сек., в течение которого через данную точку пространства проходят смежные вершины или подошвы волны (рис.4.10).
В случае равенства или даже близких значений периодов волн и качки наступает резонанс и тогда амплитуда качки судна достигает больших значений.
Показанная на рис.4.10 идеальная волна называется «регулярной» в отличие от реального морского волнения, которое называется «нерегулярным» и получается в результате наложения разных систем волн, влияния мелководья, побережья и т.д.
Поведение судна на волнении зависит от его остойчивости. Судно, обладающее большой метацентрической высотой, имеет сравнительно короткий период и стремительные размахи бортовой качки, судно с небольшой метацентрической высотой колеблется медленее. По этой причине качка буксира или балкера с тяжелым грузом, обладающих избыточной остойчивостью, переносится значительно хуже, чем качка на котейнеровозе или пассажирском судне. Качка безусловно вредное явление, уменьшить влияние которого на конструкции, механизмы и людей насущная задача. Для этих целей на судах устанавливают скуловые кили, активные рули, успокоительные цистерны, гироскопические успокоители, которые в основном уменьшают бортовую качку.
Однажды при входе в порт Кале он совсем отказался повиноваться рулевому.
С полного хода врезался «Бессемер» в каменный мол. Его носовая часть превратилась в кашу из обломков.
Бессемер не стал чинить свой пароход. Он потерял навсегда всякий интерес к кораблестроению.
После Бессемера немало изобретателей и ученых работало над созданием успокоителей качки. Было предложено множество различных систем. Но только Макаров (1848-1904). немногие из них получили право на жизнь и на широкое применение.
Очень интересный тип успокоителя качки для военных кораблей был разработан в 1894 году выдающимся флотоводцем и ученым- адмиралом Степаном Осиповичем Макаровым.
Успокоитель Макарова выгодно отличался от успокоителей других систем простотой и дешевизной своего устройства и в то же время сильным противодействием качке. Впоследствии появился усовершенствованный и приспособленный для торговых судов успокоитель Фрама. Его устройство состоит из двух цистерн, выгороженных по бортам парохода. По высоте они расположены между днищем и палубой. Длина их не более десяти метров. Цистерны соединены трубой или каналом, проложенным по днищу. Получается вроде сообщающихся сосудов, у которых вода налита до половины высоты. Наверху цистерны сообщаются между собой воздушной трубой. Посредине трубы установлен регулирующий клапан. Через него можно перепускать сжатый воздух то в одну, то в другую цистерну. Как же действует такой успокоитель?
Представьте себе человека с коромыслом на плечах. На концах коромысла прикреплены одинаковые ведра, наполненные водой. Пока концы уравновешены, человеку легко качать коромысло. Он может так его качать, что ведра будут достигать земли. Теперь навесим на один конец еще одно полное ведро. Тут уж такой легкости качания не будет. Ясно, что конец с двумя ведрами будет подниматься медленно и с большим
усилием. Если перенесем добавочное ведро на другой конец коромысла, получится обратная картина.
Этот пример с ведрами мы и используем, чтобы понять действие успокоителя Фрама. Вот пароход при качке накренился вправо. Тогда и всю воду перегоняют вправо, но не сразу, а небольшими порциями. Если перегнать сразу, то вода своей тяжестью только поможет качке. А нужно, наоборот, чтобы она препятствовала. Воду перегоняют с таким расчетом, чтобы цистерна правого борта заполнилась в тот момент, когда этот борт начнет подниматься. Вот тогда полностью заполненная цистерна и будет вроде добавочного ведра на коромысле. Она будет уменьшать размах качки. Дальше начинает крениться левый борт. Вода тем же порядком перегоняется влево. Когда левый борт начинает подниматься вверх, в действие вступает целиком заполненная цистерна этого борта. Это похоже на то, как если бы мы перенесли добавочное ведро с водой на другой конец коромысла.
Устройство успокоителя Фрама.
Так попеременное переливание воды с одного борта на другой в несколько раз уменьшает размахи качки.
Действие цистерн Фрама было проверено в русском флоте в 1913 году. Вот как вспоминает об этом академик А. Н. Крылов:
«Была образована специальная комиссия. Судили, рядили месяцев десять, ни к чему не пришли: одни говорят, надо применять успокоители Фрама, другие говорят,-цистерны Фрама вредны, и все на заграничные журналы ссылаются. Наконец, в феврале 1913 года морской министр Григорович назначает заседание под личным своим председательством. Выслушивает противоречивые мнения комиссии, которая «ни к чему не привела, только время провела». И тогда обращается ко мне:
А вы что скажете?
Пока мы будем разными журнальными статьями руководствоваться, ни к чему не придем. Надо отыскать пароход, снабженный цистернами Фрама, назначить на него комиссию из наших офицеров, идти в океан и произвести всесторонние испытания, тогда мы получим свои данные - полные и проверенные.
Назначаю такую комиссию под вашим председательством, ищите пароход, берите с собой, кого хотите, и через неделю будьте в море».
Комиссия Крылова, проведя испытания на парохрде «Метеор», убедительно доказала, что польза от цистерн Фрама есть. Цистерны были испытаны в самых различных условиях плавания: от легкой зыби на море до жестокого двенадцатибалльного шторма. Емкость цистерн составляла всего полтора процента от водоизмещения судна, а размахи качки уменьшались втрое и вчетверо. Сейчас заполнение таких цистерн производится автоматически, и поэтому они называются активными.
Существуют еще гироскопические успокоители качки, или гироскопы. Главная часть гироскопа - тяжелый диск, который вращается вокруг вертикальной оси со скоростью до 3000 оборотов в минуту. Ось прочно закреплена в большой раме, опоры которой составляют одно целое с корпусом судна. Рама качается на этих опорах точно так, как качался на своей раме «ящик» парохода «Бессемер».
Пока нет качки, ось диска сохраняет свое вертикальное положение. Но вот начинается бортовая качка. Тут сразу же пускают в ход электромотор, вращающий диск. Диск становится волчком, вроде того, каким мы играли в детстве. И, как бы ни наклонялся от качки диск, его вертикальная ось, как ось всякого волчка, стремится сохранить свое прежнее вертикальное положение. Тут-то и проявляется действие гироскопа.
Положим, правый борт судна стремительно клонится к воде. Вместе с ним должна наклониться и вертикальная ось диска. Но она, по свойству волчка, упорно сопротивляется такому наклону. А поэтому ось давит на раму и через опоры рамы - на корпус судна. И давит как раз в сторону, противоположную наклону судна. Так гироскоп умеряет качку судна.
Недавно придумали новые успокоители качки -
скуловые рули.
Это так называемый пассивный гироуспокоитель. В последнее время
чаще ставят активный гироуспокоитель. У него рама
качается на опорах не сама по себе, а при помощи особого
электродвигателя. Этим усиливается на опорах рамы давление,
противодействующее крену судна.
Гироскоп - огромный механизм. Диаметр диска достигает четырех метров. Поэтому для гироскопов выделяют особое помещение больших размеров.
На судне, оборудованном гироскопами, качка почти не ощущается.
Но зато гироскоп - очень сложный и дорогостоящий механизм и
потому большого распространения для успокоения качки еще не
получил. Зато
идея гироскопа широко применяется в устройстве различных
приборов.
Недавно придумали новые успокоители качки. Это скуловые управляемые рули. Они напоминают боковые кили. Но боковые кили прикреплены к корпусу неподвижно. А скуловые рули могут автоматически поворачиваться специальным двигателем вверх и вниз. Их все время ставят в самое выгодное положение, чтобы они на ходу судна, подобно крыльям самолета, создавали подъемную силу. Вот эта сила и препятствует крену. Опыт использования этих успокоителей показал, что они хороши только для быстроходных судов. Когда качки нет, рули втягиваются внутрь корпуса, в особые «карманы». Это делается для того, чтобы они не тормозили движения судна.
Все, что здесь рассказано об успокоителях, относится к качке бортовой. А что же предпринимается для уменьшения килевой качки? Здесь специальных успокоителей не применяют. Усилия конструкторов направлены к тому, чтобы по возможности улучшить форму надводной части носовой оконечности судна. Например, делают у нее «развал» в стороны бортов, чтобы судно меньше «зарывалось», всходя на волну,
§ 12. Мореходные качества судов. Часть 2
Степень обеспечения непотопляемости судна зависит от его назначения. Так, на гражданских судах количество переборок и их размещение определяются удобством погрузки грузов, надежностью их крепления и возможностью работы с ними в трюме, а также тем условием, чтобы судовые машины и механизмы свободно размещались в отсеках и их было бы удобно обслуживать. С другой стороны, необходимо выполнение Норм Регистра СССР, согласно которым на основании Международной конвенции по спасению человеческих жизней на море грузовые суда при затоплении одного любого отсека, а пассажирские суда - при затоплении двух любых и даже смежных отсеков должны оставаться на плаву и сохранять не менее 75 мм высоты надводного борта от действующей ватерлинии до бортовой линии палубы переборок в любом положении судна (рис. 18).Рис. 18. Минимальная высота надводного борта судна, имеющего дифферент.
Палубой переборок или палубой непотопляемости называется палуба, до которой доводят по высоте поперечные водонепроницаемые переборки.
На судах, имеющих и продольные непроницаемые переборки (на пассажирских судах и кораблях ВМС), в случае получения пробоины в подводной части борта и затопления бортовых отсеков образуются одновременно дифферентующий и кренящий моменты в сторону поврежденного борта. Это должно быть принято во внимание при выборе расположения продольных и поперечных переборок на судне.
Деление судна на отсеки должно быть таким, чтобы при бортовой пробоине плавучесть судна исчерпывалась ранее его остойчивости: судно должно тонуть без опрокидывания.
Для спрямления судна, имеющего крен и дифферент, полученные при затоплении отсеков, а также для восстановления уменьшающейся при этом остойчивости, производят принудительное контрзатопление заранее подобранных отсеков с одинаковыми по величине, но с обратными по значению моментами. Например, если судно от пробоины получило крен на левый борт и дифферент на нос, то для его спрямления необходимо затопить кормо- вой отсек по правому борту с равным моментом. Спрямленное судно, естественно, получит дополнительную осадку, но с восстановленной остойчивостью будет продолжать сохранять свои мореходные качества (а корабль -и боевые качества, т. е. производить маневрирование и стрельбу из орудий, запуск реактивных снарядов).
Этот принцип контрзатопления отсеков судна впервые в мире, еще в 1875 г., был предложен выдающимся русским ученым и моряком С. О. Макаровым. В 1903 г. эта идея была использована для практического применения на боевых кораблях молодым тогда ученым, офицером, впоследствии выдающимся советским кораблестроителем, академиком А. Н. Крыловым. Им были предложены специальные таблицы, названные таблицам и непотопляемости , по которым для всех отсеков на корабле были заранее рассчитаны кренящие и дифферентующие моменты, возникающие при затоплении одного или группы отсеков, и заранее определены моменты и указаны отсеки, которые в этом случае необходимо затопить для спрямления корабля. Пользуясь таблицами, можно в сложной боевой обстановке быстро выровнять корабль, получивший пробоину, и восстановить его утраченные боевые качества. Таблицы непотопляемости в настоящее время должны быть составлены для каждого корабля.
В дальнейшем трудами академика Ю. А. Шиманского, профессора В. Г. Власова и других советских ученых наука о непотопляемости корабля получила такое развитие, при котором практически исключается гибель корабля от потери остойчивости при боевом повреждении корпуса.
Качка судна - колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия. Различают три вида качки судов:
А) вертикальную - колебания судна в вертикальной плоскости в виде периодических поступательных перемещений;
Б) бортовую (или боковую)-колебания судна в плоскости шпангоутов в виде угловых перемещений;
В) килевую (или продольную) качку - колебания судна в диаметральной плоскости также в виде угловых перемещений. При плавании судна на взволнованной поверхности воды часто все три вида качки возникают одновременно или в различных комбинациях. Существенное влияние на все виды качки судна оказывает направление его движения по отношению к бегу волны. Качка судна вредно отражается на его эксплуатационных и мореходных качествах.
Перечислим вредные последствия качки:
А) периодический подъем и зарывание в волну оконечностей судна, вызывающие дополнительное сопротивление движению и выход из воды гребного винта, что приводит к потере его упора и снижению скорости хода, увеличению расхода топлива, заливаемости палубы и ухудшению условий обитаемости судна;
Б) создание таких условий, которые могут привести к опрокидыванию судна из-за потери им поперечной остойчивости;
В) ухудшение условий эксплуатации машин и механизмов, а также дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса от удара волн и действия сил инерции, возникающих при качке;
Г) снижение эффективности артиллерийской или торпедной стрельбы на кораблях, затруднение работы ракетных установок;
Д) вредное физиологическое воздействие на людей (заболевание морской болезнью).
Принято различать два вида колебаний судна на качке: свободные (на тихой воде), которые происходят по инерции после прекращения сил, вызвавших их, и вынужденные , которые вызываются внешними периодически приложенными силами, например морским волнением.
Рис. 19. Характеристики качки: а -
амплитуда; б - размах; в - период
качки.
Основной причиной качки судна является одновременное действие на него волн, сил плавучести и остойчивости. Основными характеристиками качки как периодического колебательного движения судна являются: амплитуда, размах и период качки (рис. 19).
Амплитудой качки называется наибольшее отклонение судна от исходного положения, измеренное в градусах.
Размах качки - сумма двух последовательных амплитуд (наклонение судна на оба борта).
Период качки -время между двумя последовательными наклонениями или время, в течение которого судно совершает полный цикл колебаний, возвращаясь к тому положению, при котором начался отсчет.
Период качки судна оказывает влияние на характер качки: при большом периоде качка совершается плавно, наоборот, при малом периоде качка происходит порывисто, вызывая тяжелые последствия.
Период (в секундах) свободной бортовой качки вычисляется по следующей формуле:
где k - коэффициент, зависящий от типа судна; его величина лежит в пределах 0,74/0,80;
В - расчетная ширина судна по действующую ватерлинию, м;
H 0 - начальная поперечная метацентрическая высота, м.
Из приведенного значения видно, что судно, обладающее большой остойчивостью, имеет порывистую качку, существенно влияющую на его эксплуатацию.
Период (в секундах) свободной вертикальной качки на тихой Rone насчитывается по приближенной формуле
а килевой качки - по формуле
где Т 0 - осадка судна, м.
При плавании судна на взволнованной воде, поскольку судно увлекается движением воды и до некоторой степени является поверхностной частицей, участвующей в орбитальном движении, равнодействующая приложенных к судну сил веса, сил плавучести и сил инерции направлена по нормали к склону воды. Изменение профиля волны непрерывно отражается на форме подводного объема судна и его величине, что приводит к вынужденным колебаниям судна.
Следовательно, характер вынужденных колебаний судна зависит от профиля волны, а их период всегда равен периоду волны. Для уменьшения качки судна принимают ряд мер, условно разделяемых на общие и специальные. К общим мерам относится рациональный выбор формы теоретического чертежа судна , а к специальным- установка конструкций - успокоителей качки , создающих моменты, противодействующие качке судна.
Общими мерами, направленными на уменьшение заливаемости судна и погружение его оконечностей в волну, являются: седловатость палубы, расширение верхней части носовых шпангоутов, образующее развал бортов, а также установка в носовой части верхней палубы водоотбойного козырька, который разрушает покрывающую судно волну и отводит ее к бортам.
Для успокоения наиболее неблагоприятной и опасной бортовой качки применяют специальные меры, заключающиеся в установке успокоителей качки, которые делят на пассивные и активные . Действие первых основано на использовании энергии качания самого судна, действие вторых - на использовании внешних источников энергии, они искусственно управляются. Рассмотрим наиболее простые и эффективные успокоители качки.
1) Боковые (скуловые) кила (рис. 20) представляют собой простейшие пассивные успокоители, имеющие вид наделок в виде пластин площадью до 4% от площади ватерлинии. Эти пластины устанавливают по нормали к скуле в средней части корпуса вдоль линии тока воды, длиной до 40% от длины судна. Принцип действия этих килей заключается в создании момента, обратного моменту качания судна. Под действием таких боковых килей амплитуда бортовой качки уменьшается до 50%.
2) Бортовые пассивные цистерны (рис. 21) устроены по принципу сообщающихся сосудов в виде бортовых цистерн, соединенных водными и воздушными каналами с клапаном, регулирующим переливание воды между цистернами. Клапан регулирует воду с таким расчетом, чтобы она не поспевала за креном судна, а, отставая, переливалась бы по инерции в сторону поднимающегося борта, когда момент воды в цистерне, противодействуя наклонению судна, успокаивает его качку.
Рис. 20. Боковые кили и их конструкция.
Эти цистерны дают хорошие результаты как успокоители только при режимах качки, близких к резонансу. Во всех прочих случаях они почти не умеряют качку, а даже увеличивают его амплитуду.
Рис. 21. Бортовые пассивные цистерны и положение в них жидкости
при качке судна в резонанс с волной.
3) Бортовые активные цистерны представляют собой такие же бортовые цистерны, соединенные каналами, но вода в них перетекает под воздействием автоматически регулируемых насосов. Эти цистерны действуют эффективно при всех режимах качки судна. Вес воды, находящейся в активных цистернах (обычно их используют под пресную воду или топливо), должен составлять приблизительно 4% от водоизмещения судна.
4) Управляемые боковые рули (рис. 22) являются активными успокоителями качки и устанавливаются в подводной части корпуса в том районе, где ширина судна наибольшая.
Рис 22 Схема работы управляемых боковых рулей левого борта,
1 - аппаратура управления; 2 - система управления; 3 - приводы рулей; 4- ниши для рулей; 5 -перо руля левого борта;
6 - перо руля правого борта. V-скорость и направление набегающего потока; Р - подъемная сила; F - лобовое сопротивление.
Перекладка рулей производится автоматически: на всплытие - на погружающемся борту, на погружение - на всплывающем борту судна. Подъемные силы, возникающие на рулях, образуют момент, обратный наклонению судна, умеряющий амплитуду качки до четырехкратного ее размера. Так как подъемная сила рулей зависит от скорости судна, боковые рули эффективны только на быстроходных судах.
При отсутствии качки для устранения дополнительного сопротивления движению судна и предотвращения поломки рулей при швартовке бортом боковые рули убирают в специальные ниши внутрь корпуса судна.
Рис. 23. Схема устройства гироскопического успокоителя
качки.
1 - гироскоп; 2 - рама гироскопа;
3 - цапфы, конструктивно связывающие раму с корпусом; 4 - устройство, поворачивающее или тормозящее раму гироскопа.
5) Гироскопический успокоитель (рис. 23) основан на использовании гироскопического эффекта - свойстве гироскопа сохранять неизменной ось своего вращения. Гироскопический момент в значительной степени компенсирует кренящий момент, снижая амплитуду качки. Успокоитель представляет собой маховик, вращающийся в раме, связанной на шарнирах с корпусом судна.
При бортовой качке судна рама гироскопа самопроизвольно раскачивается в ДП. Если эти качания рамы тормозить или принудительно поворачивать раму при помощи специального электродвигателя, то она будет оказывать на цапфы добавочные давления, образующие пару, противодействующую качке судна. Например, такой успокоитель (с маховиком весом 20 т) установлен на американской подводной лодке «Джордж Вашингтон».
Управляемостью судна называется его способность удерживать заданное направление движения или изменять его в соответствии с перекладкой пера руля. Управляемость характеризуется, с одной стороны, способностью судна противостоять на ходу действию внешних сил, затрудняющих удержание заданного направления движению, - устойчивостью на курсе и, с другой стороны, способностью судна изменять направление движения и двигаться по криволинейной траектории - эта способность называется поворотливостью .
Таким образом, под управляемостью судна понимаются оба эти качества, которые являются противоречивыми. Так, если создать судно с таким соотношением главных размерений, которые обеспечат ему твердую устойчивость на курсе, то судно будет обладать плохой поворотливостью. Наоборот, если судно будет обладать хорошей поворотливостью, то оно будет неустойчивым и рыскливым на курсе. При создании судна необходимо это учитывать и выбирать оптимальное значение для каждого из этих качеств с таким расчетом, чтобы судно обладало нормальной управляемостью.
Рыскливостью называется способность судна самопроизвольно отклоняться от курса под влиянием внешних сил. Считается, что судно устойчиво на курсе, если для его удержания число перекладок руля не превышает 4-6 в минуту и судно при этом успевает отклониться от курса не свыше 2-3°.
Для обеспечения устойчивости судна на курсе и его поворотливости в кормовой части судна устанавливают рули. При перекладке руля на борт возникает момент пары сил, поворачивающий судно вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести, в ту сторону, в которую переложен руль (рис. 24).
Рис. 24. Схема сил, действующих на судно при перекладке пера
руля.
N - равнодействующая сил давления воды на перо руля; l- плечо пары
сил, вращающих судно; Q - сила дрейфа; F - лобовое сопротивление
движению судна.
Перенесем равнодействующую N в центр тяжести судна - точку G, не меняя ее направления и величины, и приложим вторую силу N в обратном направлении. Образовавшаяся пара сил создает момент Mпов = Nl, отклоняющий судно от прямого направления в сторону перекладки пера руля.
Силу N обратного направления разложим на две составляющие: F - силу, направленную вдоль - в сторону, обратную движению судна, и создающую лобовое сопротивление, уменьшающее скорость хода судна примерно на 25-50%; Q - силу дрейфа, действующую перпендикулярно ДП и вызывающую перемещение судна лагом, которое быстро погашается сопротивлением воды.
Если руль идущего с определенной скоростью судна оставить положенным на борт, то центр тяжести судна (вокруг которого оно поворачивается) начнет изменять траекторию своего движения из прямой в криволинейную, постепенно переходящую в окружность постоянного диаметра D ц, который называется диаметром циркуляции , а движение судна по такой траектории - циркуляцией судна (рис. 25).
Диаметр циркуляции, выраженный в длинах судна, определяет степень поворотливости судна. Судно считается хорошо поворотливым, если D ц = (3/5) L. Чем меньше диаметр циркуляции, тем лучше поворотливость судна. Расстояние l, пройденное судном между ЦТ его в момент перекладки руля и до поворота судна на 90°, измеренное по прямой его движения, называется выдвигом .
Рис. 25. Циркуляция судна.
D ц - диаметр установившейся циркуляции; D т - тактический диаметр циркуляции; ,в - угол дрейфа.
Расстояние между положением диаметральной плоскости в начале поворота и после изменения курса судна на 180°, измеренное по перпендикуляру к первоначальному направлению движения, называется тактическим диаметром циркуляции , который обычно составляет D т = (0,9/1,2) D ц. Угол, образованный положением ДП и касательной к траектории движения судна при циркуляции, проведенной через точку G, называется углом дрейфа в.
При движении судна на циркуляции у него возникает крен на борт, противоположный перекладке руля. Кренящий момент образуется от пары сил: центробежной силы инерции, приложенной в ЦТ судна, и силы гидродинамического давления, приложенной приблизительно посередине осадки. Максимального значения угол крена достигает при диаметре циркуляции, равном 5L, и становится тем больше, чем больше скорость судна и чем меньше диаметр циркуляции, и увеличение этих параметров может привести к опрокидыванию судна.
Ходкостью судна называется его способность перемещаться с заданной скоростью при затрате определенной мощности главных двигателей.
При движении судна на него сразу же начинают действовать силы сопротивления воды и воздуха, направленные в сторону, противоположную его движению, преодолеваемые упорным давлением движителя.
Изучение вопросов, связанных с закономерностью этих сопротивлений, дает возможность выбора наиболее рациональных обводов судна, обеспечивающих достижение скорости при минимальной затрате мощности двигателей.
Сопротивления движению судна возрастают при увеличении его скорости и равны сумме отдельных сопротивлений. Сопротивление воды слагается из:
А) сопротивления формы или вихревого сопротивления Rф, зависящего от формы погруженной части корпуса и создающихся за кормой вихревых образований воды, которые, отрываясь от судна, уносят с собой приобретенную ими живую силу вращательного движения. Чем полнее корпус судна и хуже его обтекаемость, тем больше вихрей и значительнее сопротивление;
Рис. 26. Система волн, возникающих при движении судна.
1, 2 - расходящиеся кормовые и носовые соответственно; 3, 4 - поперечные носовые и кормовые соответственно.
б) сопротивления трения R т, которое зависит от скорости судна и величины поверхности погруженной в воду части корпуса. Сопротивление трения возникает оттого, что частички воды, соприкасающиеся с погруженной поверхностью корпуса, прилипают к ней и приобретают скорость судна. Соседние слои воды также начинают двигаться, но по мере удаления от поверхности корпуса скорость их постепенно снижается и пропадает совсем. Таким образом, на поверхности погруженной части корпуса образуется так называемый пограничный слой, в поперечном сечении которого скорость воды неодинакова. Экспериментальным путем получены формулы, с помощью которых определяется трение судовой поверхности.
Шероховатость поверхности увеличивает сопротивление трения, которое учитывается дополнительно.
На сопротивление трения большое влияние оказывает обрастание подводной части корпуса водорослями, ракушками и другими организмами, жувущими в воде, которое увеличивает трение между корпусом и водой. Известны случаи, когда через 4-5 месяцев после очистки подводной поверхности скорость судна из- за обрастания уменьшалась на 4-5 узл.
В) волнового сопротивления R В, зависящего от формы подводной части корпуса и представляющего собой затрату части мощности главного двигателя на образование системы волн, сопровождающей судно на ходу (рис. 26).
На малых скоростях образуются преимущественно расходящиеся волны. При увеличении скорости хода возрастает величина поперечных волн, на образование которых затрачиваются большие мощности; в.ч
Г) сопротивления выступающих частей R , зависящего от сопротивления отдельных выступающих частей, расположенных в подводной части корпуса: рулей, кронштейнов, боковых килей, выступающих деталей приборов и т. п.
Для определения величины этих сопротивлений (за исключением сопротивления трения, которое определяется расчетно-экспериментальным путем), проводят испытания моделей судов в специальных опытовых бассейнах, размеры которых достигают 1500x20 м при глубине до 7 м. Длина моделей 2-8 м.
Буксировку этих моделей осуществляют с помощью специальных тележек, движущихся по рельсам, уложенным по обеим сторонам бассейна. Модель соединяется с тележкой через динамометр, замеряющий силу сопротивления модели при равномерном движении тележки с определенной скоростью вдоль бассейна. Модели судов делают из деревянного каркаса (скельтон), обтянутого парусиной и покрытого слоем парафина. Парафин хорошо обрабатывается и легко поддается переделкам и восстановлению. Иногда модели делают полностью из дерева.
Полученные при испытании моделей результаты пересчитывают на натурное судно по законам динамического подобия. Воздушное сопротивление R В3 зависит от величины проекции надводной части судна на плоскость миделя; скорости, направления движения; скорости ветра. Оно определяется в аэродинамической трубе методом продува в ней модели и достигает на больших скоростях внушительных размеров, доходящих до 10% от полного сопротивления. После определения всех отдельных сопротивлений полное сопротивление движению судна определяется как сумма их, равная
Полное сопротивление является основой для определения необходимой мощности главной судовой силовой установки, которая преобразуется движителями в поступательное движение судна с заданной скоростью.
Существуют три вида необходимой мощности
1) буксировочная, или эффективная, мощность (EPS) , необходимая для преодоления полного сопротивления движению судна с определенной скоростью, выраженная в лошадиных силах (1 л. с.=75 кГм/сек); она равна
где R - полное сопротивление, кГ
V - скорость судна, м/сек;
2) мощность на валу двигателя (BPS) , она больше предыдущей и определяется на основе буксировочной с учетом коэффициентов полезного действия самого движителя, передаточных механизмов (редукторов, муфт и т. п.), валопровода (опорных и подшипников и т. п.), она равна
где n - коэффициент полезного действия: n д - движителя; n н - валопровода; n П - передаточного механизма и прочие;
3) индикаторная мощность (JPS), которая в свою очередь больше мощности на валу и равна необходимой мощности силовой установки, с учетом коэффициента полезного действия самого двигателя, т. е.
где Ц М - механический коэффициент полезного действия машины. Произведение всех коэффициентов полезного действия называют общим пропульсивным коэффициентом , который у современных судов находится в пределах т) = 0,2-0,64. Все приведенные расчеты относились к сопротивлениям на тихой воде. Волнение, качка, рыскание судна и другие явления также влияют на скорость движения судна, снижая ее в среднем еще на 7-9%, а при сильном шторме и волнении - до 50-60%. Мощность главной судовой силовой установки преобразуется в поступательное движение судна судовыми движителями.
Вперед
Оглавление
Назад
Изобретение относится к области судостроения, в частности к конструкции устройства для уменьшения качки судна на волнении. Устройство содержит бортовые управляемые рули, размещенные на обоих бортах судна в районе мидель-шпангоута с возможностью задвижки в корпус судна. Параллельно лопасти руля установлена по меньшей мере одна дополнительная лопасть, связанная с ней посредством параллельных стоек, концы которых шарнирно связаны с каждой из лопастей. Концы стоек, связанные с одной из лопастей, снабжены механизмом поворота на угол до 90 o . Верхние лопасти закреплены на концах раздвижных силовых цилиндров с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль их продольных осей, которые проходят через ниши, выполненные на бортах корабля в районе его скулы. Длина параллельных стоек между осями шарниров равна удвоенной длине хорды верхней лопасти. Площадь лопасти принимают из выражения S=(0,03-0,035)V 2/3 , где V - водоизмещение корабля. Размеры ниши обеспечивают возможность размещения в ней обеих лопастей. Ее длина не превышает суммарной длины лопастей, а ширина - их суммарной толщины. Достигается эффективность работы устройства на скоростях движения судна 12-14 узлов при сравнительно небольшом "вылете" рулей за борт судна. 3 ил.
Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано в конструкциях морских судов для умерения поперечной качки корабля. Известно устройство для уменьшения качки судна на волнении, выполненное в виде цистерн, располагаемых внутри судна у его бортов и связанных друг с другом водопроточными и воздушными каналами и механизмами перекачки воды из одной цистерны в другую (см. Морской словарь. М.: Транспорт, 1965, 114 с.). Недостаток этого решения - их функционирование обеспечивается постоянной работой специальных механизмов и контрольно-измерительных устройств, что снижает их надежность, кроме того, они громоздки и занимают часть внутреннего пространства корпуса судна. Известно также устройство для уменьшения качки судна на волнении, включающее бортовые управляемые рули, размещенные на обоих бортах судна в районе мидель-шпангоута, с возможностью задвижки в корпус судна (см. Морской словарь. М.: Транспорт, 1965, 114 с.)
Недостаток этого решения - недостаточная эффективность работы на малых (ниже 18 узлов) скоростях движения судна. Задача, на решение которой направлено заявленное решение, выражается в обеспечении эффективной работы устройства на малых (ниже 18 узлов) скоростях движения судна. Технический результат, получаемый при решении функциональной задачи, может быть определен как обеспечение эффективной работы устройства на скоростях движения судна 12-14 узлов, при сравнительно небольшом "вылете" рулей за борт судна. Поставленная задача решается тем, что устройство для уменьшения качки судна на волнении, включающее бортовые управляемые рули, размещенные на обоих бортах судна в районе мидель-шпангоута, с возможностью задвижки в корпус судна, отличается тем, что параллельно лопасти руля установлена по меньшей мере одна дополнительная лопасть, связанная с ней посредством параллельных стоек, концы которых шарнирно связаны с каждой из лопастей, при этом концы стоек, связанные с одной из лопастей, снабжены механизмом поворота на угол до 90 o , кроме того, верхние лопасти закреплены на концах раздвижных силовых цилиндров с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль их продольных осей, которые проходят через ниши, выполненные на бортах корабля в районе его скулы, причем длина параллельных стоек между осями шарниров равна удвоенной длине хорды верхней лопасти, кроме того, площадь лопасти принимают из выражения
S=(0,03-0,035)V 2/3 ,
Где V - водоизмещение корабля. Кроме того, размеры ниши обеспечивают возможность размещения в ней обеих лопастей, при этом ее длина не превышает суммарной длины лопастей, а ширина - их суммарной толщины. Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна". Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи. Признаки ". ..параллельно лопасти руля установлена по меньшей мере одна дополнительная лопасть. . ." обеспечивают возможность при прочих равных условиях иметь большую величину гидродинамической силы, препятствующей качке. Признаки ". . .лопасть, связанная с ней посредством параллельных стоек, концы которых шарнирно связаны с каждой из лопастей, при этом концы стоек, связанные с одной из лопастей, снабжены механизмом поворота на угол до 90 o .. . " обеспечивают возможность "складывания" устройства в компактный "пакет", что обеспечивает возможность минимизации размеров ниши, предназначенной для размещения лопастей. Признаки "...кроме того, верхние лопасти закреплены на концах раздвижных силовых цилиндров, с возможностью возвратно-поступательного движения вдоль их продольных осей, которые проходят через ниши, выполненные на бортах корабля..." обеспечивают уборку лопастей в нишу и выдвижение их оттуда. Признак "...в районе его скулы...", обеспечивает привязку местоположения ниши к зоне, максимально удаленной от поверхности воды. Признаки "...причем длина параллельных стоек между осями шарниров равна удвоенной длине хорды верхней лопасти..." обеспечивают наибольшую эффективность работы лопастей за счет взаимовлияния (при которой величина гидродинамической подъемной силы, возникающей на лопасти, превышает эту характеристику, проявляющейся при работе достаточно удаленных друг от друга лопастей). Этот параметр получен экспериментальным путем с учетом анализа гидродинамических сил, имеющих место при работе устройства. Признаки "...кроме того, площадь лопасти принимают из выражения
S=(0,03-0,035)V 2/3 ,
Где V - водоизмещение корабля..." обеспечивают "привязку" размеров лопасти к размерам судна. Этот параметр получен расчетно-экспериментальным путем с учетом анализа существующих методов расчета гидродинамических сил, имеющих место при работе устройства. На фиг.1 схематически показан поперечный разрез судна; на фиг.2 показано устройство в работе; на фиг.3 показано устройство в "сложенном" виде. На чертежах показаны борт 1 судна, верхняя лопасть 2, нижняя лопасть 3, шарниры 4, связывающие параллельные стойки 5 с названными лопастями, шток 6 силового цилиндра 7, стенки ниши 8, гидрораспределительный узел 9, патрубки 10 и 11, трубопроводы 12, поршень 13, гидроаккумулятор 14. Устройства располагают на обоих бортах 1 судна, симметрично относительно его продольной оси, предпочтительно в районе мидель-шпангоута чуть выше скулы (участка корпуса на переходе борта в днище). Верхняя лопасть 2 жестко связана со штоком 6 силового цилиндра 7. Шток 6 и цилиндр 7 образуют гидроцилиндр двустороннего действия, полости которого, расположенные по обе стороны поршня 13, через патрубки 10 и 11 и трубопроводы 12 связаны с гидрораспределительным узлом 9. В качестве гидрораспределительного узла 9 может быть использовано любое устройство аналогичного назначения, удовлетворяющее по своим характеристикам условиям работы и имеющее дистанционное, предпочтительно автоматизированное, управление переключением каналов. В качестве трубопроводов 12 использованы шланги высокого давления. Длина параллельных стоек 5 между осями шарниров 4 равна удвоенной длине хорды верхней лопасти 2, площадь лопасти принимают из выражения S=(0,03-0,035)V 2/3 , где V - водоизмещение корабля. Противоположные концы параллельных стоек 5 связаны с каждой из лопастей 2 и 3 посредством шарниров. Конструкция механизма поворота параллельных стоек (на чертежах не показан) может быть любой известной конструкции, например в виде механического редуктора, обеспечивающего поворот вала, установленного с возможностью реверсивного вращения на угол до 90 o в отверстиях, выполненных в боковых стенках пустотелой верхней лопасти, и жестко связанного с одной из параллельных стоек 5. Однако в реальности конструктивное выполнение этого механизма будет определяться размерами судна и, соответственно, нагрузками на элементы механизма и всего устройства. Целесообразно лопасть, снабжаемую механизмом поворота, выполнять пустотелой, для обеспечения размещения деталей механизма поворота при сохранении "гладкости" рабочих поверхностей лопасти 2. Число лопастей может быть 2 и больше, но на чертежах показан вариант с двумя лопастями. Заявленное устройство работает следующим образом. При необходимости ввода устройства в работу осуществляют соответствующее переключение гидрораспределительного узла 9, и рабочая жидкость из полости гидроаккумулятора 14 поступает через соответствующий трубопровод 12 и патрубок 10 в полость силового цилиндра 7, под поршень 13, что приводит к выдвижению "пакета" из лопастей 2 и 3 из ниши 8. После того как лопасти полностью выйдут из ниши 8, включают механизм поворота параллельных стоек 5, смонтированный в полости верхней лопасти 2. Поскольку параллельные стойки 5 и кромки лопастей 2 и 3 образуют шарнирный параллелограмм, поворот на 90 o одной стойки 5 повторяется второй стойкой 5, что приводит к раскрытию "пакета" лопастей в рабочее положение, когда лопасти располагаются одна над другой, параллельно друг другу на расстоянии, равном удвоенной длине хорды лопасти. В процессе движения судна на лопастях 2 и 3 возникает гидродинамическая сила, стремящаяся воспрепятствовать поперечной качке корабля. При уборке устройства вышеописанные действия осуществляют в обратном порядке, т.е. посредством механизма поворота "складывают" лопасти в компактный "пакет", который втягивают в нишу 8, при этом сжатая жидкость из-под поршня 13 сбрасывается в гидроаккумулятор 14, а из последнего подается через патрубок 11 в полость силового цилиндра 7, над поршнем 13. Далее все повторяется.
