УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ МОДЕЛИ НАДВОДНОГО СУДНА
DEVICE FOR HYDRODYNAMIC TESTS OF SURFACE VESSEL MODEL

Изобретение относится к области судостроения, а именно к техническим средствам экспериментальной гидромеханики судна, в частности к устройствам для гидродинамических испытаний моделей надводных судов в открытом водоеме.
Как известно, большинство опытовых бассейнов для гидродинамических испытаний моделей надводных судов оборудуется в закрытых помещениях. Затраты на проектирование и сооружение бассейна в закрытом помещении достигает иногда нескольких десятков или сотен миллионов долларов США, а стоимость полного гидродинамического испытания одной модели составляет от 0,01% до 0,10% этой суммы. Все расходы покрываются с избытком экономии, получаемой в итоге изыскания оптимальной формы и размеров судов посредством гидродинамических испытаний их моделей в опытовых бассейнах.
Следовательно, важность решения технической задачи, направленной на сокращение затрат на строительство и эксплуатацию такого уникального сооружения как опытовый бассейн, является достаточно актуальной.
Известны устройства для гидродинамических испытаний моделей судов, содержащие опытовой бассейн закрытого типа со свободной водной поверхностью, буксировочное устройство и измерительно регистрирующую аппаратуру. Причем вдоль длинных сторон бассейна уложены рельсы, по которым движется самоходная тележка, буксирующая модель судна. На тележке находится измерительная аппаратура и пост экспериментатора [Фукельман В.Л. Жизнь корабля. - Л.: Судостроение, 1978. - С.87-88].
Однако такое известное устройство имеет недостатки. Закрытый опытовой бассейн должен иметь большую длину - около 1000 м, достаточную для обеспечения движения модели на разгонном участке, на участке равномерного движения и тормозном участке, т.е. он имеет значительный объем всего помещения закрытого бассейна (ширина 18 м, глубина 12 м). Кроме того, буксировочная тележка имеет большие массу и габарит и при движении создает собственное воздушное поле, заметно влияющее на условия испытания буксируемой модели. К тому же, из-за допускаемых неровностей рельсового пути нередки случаи, когда сама тележка испытывает при движении вертикальные колебания, что отражается на точности проводимых измерений. Стоимость строительства, оборудования и эксплуатации такого (динамометрического) типа закрытого бассейна весьма значительная. Поэтому такие известные бассейны имеют ограниченное применение - только в крупных исследовательских центрах [Справочник по теории корабля. Том 1. Л.: Судостроение, 1985. - С.190-209].
Известны также закрытые малые бассейны гравитационного типа, содержащие водную акваторию со свободной поверхность длиной 25-40 м, шириной 2,5-3,0 м или квадратную 30·30 м, глубиной воды 1,5-2,0 м, модель подводного судна, равномерно перемещающуюся по ней под действием массовой силы падающего груза, сам падающий груз, тросовую систему с неподвижными блоками одинакового диаметра и с разной высотой их установки в форме шкива с желобом по окружности под трос для изменения направления действия массовой силы груза на модель судна. Трос одной оконечностью непосредственно прикреплен к модели судна, совершающего под его действием равномерное прямолинейное движение в горизонтальной плоскости. Противоположная оконечность троса расположена с возможностью совершения падающим грузом возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости. Блок с меньшей высотой установки расположен со стороны модели судна, его ось закреплена на вертикальной опоре, а верхний неподвижный блок расположен со стороны падающего груза на горизонтальной опоре подволока закрытого бассейна. Под падающим грузом расположена его опора [Фукельман В.Л. Жизнь корабля. - Л.: Судостроение, 1978. - С.87-89, рис.38 и 39]. Длина бассейнов этого типа меньше динамометрических. Это объясняется тем, что при проведении испытаний в гравитационных бассейнах необходимо обеспечить движение модели только на участие равномерного движения. Так как модель судна перемещается под действием падающего груза, то движение начинается как только груз начинает опускаться и заканчивается, когда груз ложится на опорную поверхность.
Недостатком известного малого бассейна такого типа, оборудованного в закрытых помещениях, является естественные ограничения на размеры испытываемых моделей судов, обусловленные малыми размерами такого бассейна. Это ведет к необходимости каждый раз подстраивать с той или иной точностью масштаб модели судна под существующие размеры (по длине) бассейна или отказываться от их испытаний из-за невозможности обеспечения требуемых характеристик длины участка равномерного движения модели судна. Кроме того, поскольку масса падающего груза при постановке экспериментов и испытаний варьируется, то в каждом опыте необходимо поднимать и производить замену масс груза. Это приводит к увеличению трудоемкости и продолжительности постановки эксперимента и снижению точности исходных данных для моделирования силы сопротивления движения модели судна.
Техническая задача, на решение которой направленно заявление изобретение, - снижение стоимости оборудования бассейна, повышение точности проводимых измерений, снижение трудоемкости выполнения экспериментов.
Решение указанной технической задачи достигается тем, что в известном устройстве для гидродинамических испытаний модели надводного судна, содержащем водную, акваторию со свободной поверхностью, модель надводного судна, равномерно перемещающуюся по водной поверхности под действием массовой силы падающего груза, падающий груз и тросовую систему с неподвижными блоками с разной высотой их установки, состоящими из шкивов одинакового диаметра с желобом по окружности под трос для изменения направления действия массовой силы груза на модель судна, при этом трос одной оконечностью непосредственно прикреплен к модели судна, совершающего под его действием равномерное прямолинейное движение в горизонтальной плоскости, а противоположная оконечность троса расположена с возможностью совершения падающим грузом возвратно-поступательного движения в вертикальной плоскости, причем блок с меньшей высотой установки расположен со стороны модели судна, а его ось закреплена на вертикальной опоре, а верхний неподвижный блок расположен со стороны падающего груза, закреплен на горизонтальной опоре, и под падающим грузом расположена его опора, в отличие от него, в заявляемом устройстве водная акватория имеет открытую свободную водную поверхность. Тросовая система дополнительно имеет подвижный блок и дополнительный неподвижный блок со шкивами таких же диаметров. Ось упомянутого верхнего неподвижного блока закреплена посредством такелажной скобы на горизонтальной перекладине, плавно сопряженной с составной штангой, установленной на опорной плите посредством стакана подпятника и натяжных тросов, расположенной на горизонтальной площадке вблизи водной акватории. Падающий груз выполнен в виде жидкого груза, заполняющего мерную емкость. Упомянутая оконечность троса со стороны падающего жидкого груза закреплена с образованием на ней незамкнутой петли, в которую с возможностью возвратного перекатывания по профилю петли помещен подвижный блок, образуя совместно с верхним неподвижным блоком полиспаст, а к оси подвижного блока прикреплена мерная емкость падающего жидкого груза. Дополнительный неподвижный блок посредством такелажной скобы закреплен на составной штанге вблизи ее плавного сопряжения с горизонтальной перекладиной и имеет одну из ветвей его троса, направленную на верхний неподвижный блок, а противоположную ветвь, направленную на нижний неподвижный блок, который установлен на нижней оконечности составной штанги и имеет вблизи лебедку с приводом всей тросовой системы. Сама составная штанга и плавно сопряженная с ней горизонтальная перекладина образует совместно своими полостями непрерывный канал для подвода воды в мерную емкость жидкого груза, сообщенный соответственно своей выходной частью с невозвратно-запорным клапаном, расположенным на загрузочном патрубке непосредственно над данной емкостью в ее верхнем положении и имеющим дистанционный привод, а противоположной входной частью сообщенный с подающим в мерную емкость воду водяным насосом, сообщенным приемной полостью с водной акваторией. Вертикаль центра тяжести элементов составной штанги и ее горизонтальной перекладины с наполненным каналом и с жидким грузом расположена в пределах поверхности опорной плиты. Причем расстояние от оси подвижного блока в его верхнем положении до оси этого блока в его нижнем положении на опоре груза составляет половину мерного участка водной поверхности акватории, а наименьшая глубина этого участка на мелководье составляет величину, определяемую из соотношения
,
где h - наименьшая глубина участка, м;
В - ширина модели судна, м;
d - осадка модели судна, м.
Конструктивно и эксплуатационно оправдано такое выполнение мерной емкости падающего груза, когда она имеет в поперечном сечении форму трапеции с меньшей верхней стороной, имеющей отверстие для подачи воды, и большей нижней стороной, имеющей закрываемое отверстие для слива воды.
Кинематически также оправдано такое закрепление оконечности троса со стороны падающего жидкого груза, когда эта оконечность закреплена на оси верхнего неподвижного блока посредством такелажной скобы.
Заявленная совокупность отличительных и ограничительных признаков обеспечивает достижение поставленной задачи - снижение затрат на оборудование опытового бассейна, повышение точности проводимых измерений и снижение трудоемкости выполнения экспериментов и испытаний.
Сооружение опытового бассейна в открытом водоеме, вполне очевидно, позволит избежать основных затрат на капитальное строительство закрытого помещения и оборудования в нем водной акватории бассейна. Все оборудование в предложенном устройстве опытового бассейна состоит из совокупности из несложной тросовой системы с падающим жидким грузом и составной штанги из недорогих, разъемных, легко монтируемых деталей и конструкций, а именно: труб малого диаметра составной штанги, монтируемой посредством натяжных тросов, т.е. стандартных фитинговых соединений, запорной и регулирующей арматуры. Установка такого оборудования на берегу открытого водоема не требует строительства лесов и привлечения для выполнения всех работ квалифицированной рабочей силы. Трудоемкость выполнения монтажных работ, как показал опыт, не превышает 40-50 чел/ч.
Функционирование устройства в штатном режиме обеспечивается при минимальных затратах электрической энергии. В случае отсутствия источников энергии, работа насоса и лебедки может осуществляться вручную.
В процессе выполнения гидродинамических испытаний обслуживание всего устройства могут выполнять 2-3 человека. Причем весь обслуживающий персонал может не иметь специальной подготовки и высокой квалификации.
Так при подготовке и выполнении каждого гидродинамического испытания необходимо производить следующие операции: включать и выключать водяной насос и лебедку, позиционировать (устанавливать) модель судна на мерном участке акватории и фиксировать время по показателям секундомера.
Таким образом, изложенное подтверждает, что совокупность заявленных ограничительных и отличительных признаков предложенного устройства позволяют достигнуть решения поставленной технической задачи - снизить материальные и временные затраты на оборудование опытового бассейна гравитационного типа для гидродинамических испытаний модели надводного судна и уменьшить трудоемкость выполнения самих испытаний и экспериментов.
В заявленном техническом решении, с бассейном гравитационного типа, падающий груз выполнен в виде жидкого груза. Поэтому в процессе выполнения испытаний не требуется производить взвешивание груза, мерная емкость с соответствующим необходимым объемом груза это обеспечивает.
Измерение расстояния движения модели надводного судна и уровня падения груза также не требуется. В каждом опыте испытаний экспериментатору необходимо фиксировать только один параметр - промежуток времени опускания мерной емкости с жидким грузом от верхнего положения оси подвижного блока (днища мерной емкости) до его нижнего положения - нахождения мерной емкости на опорной поверхности, находящегося на фиксированном расстоянии Н, которое, как известно, у полиспастов, состоящих из одного неподвижного и одного подвижного блоков заявляемого изобретения, равно половине длины мерного участка водной поверхности акватории.
Время измеряется экспериментатором секундомером. Поэтому точность результатов эксперимента заявляемого изобретения определяется величиной систематической погрешности только одного регистрирующего инструмента - секундомера.
В итоге„ очевидно, что поставленная задача - повысить точность проводимых измерений - достигается за счет выполнения падающего груза в виде жидкого груза. При этом, выполнение мерной емкости падающего жидкого груза, имеющей в поперечном сечении форму трапеции с отверстиями по верхней и нижней сторонам для подачи в нее, посредством канала в перекладине и штанге, воды и слива ее, обеспечивает удобство использования и малую продолжительность выполнения. При такой форме мерной емкости снижается момент инерции площади свободной поверхности жидкого груза, влияющей на плавность (без колебаний) опускания емкости на опорную плиту.
Кроме того, выбор бассейна на открытой водной акватории с учетом наименьшей глубины мерного участка ее поверхности, которая, в свою очередь, учтена в заявленном изобретении из соотношения от ее зависимости от осадки и ширины модели судна, также обеспечивает необходимую точность производимых гидродинамических испытаний.
Кроме того, наличие полиспаста из двух блоков в совокупности с составной штангой и опорной плитой позволяет уменьшить до двух раз относительно длины мерного участка высоту составной штанги и соответственно массогабариты опорной плиты и силовую нагрузку на троса полиспаста, т.е. достигается некоторый дополнительный эффект.
Таким путем обеспечивается достижение решения поставленной технической задачи.
На чертеже схематично представлено предлагаемое устройство для гидродинамических испытаний модели надводного судна.
Устройство содержит модель надводного судна 1 на водной акватории с открытой поверхностью, к носовой части которой закреплен ходовой конец буксирующего троса 2, мерную емкость 3 под жидкий падающий груз с отверстиями 4 и 5 для слива и приема жидкого падающего груза соответственно. Мерная емкость 3 закреплена посредством такелажной скобы (не показано) к оси подвижного блока 6 с желобом (не показано) под трос 2. Вода в мерную емкость 3 подается посредством невозвратно-запорного клапана 7 через загрузочный патрубок 8. Патрубок 8 соединен с коленом 9, которое обеспечивает изменение направления движения водяного потока по каналу (не показано) горизонтальной перекладины 10. К горизонтальной перекладине 10 посредством такелажной скобы (не показано) закреплен такого же диаметра верхний неподвижный блок 11, образуя с блоком 6 полиспаст, через который проходит противоположная ходовому концу (т.е. - лежащая на стороне падающего груза) оконечность троса 2 (коренной конец троса 2), которая посредством такелажной скобы (не показано) закреплена к оси верхнего неподвижного блока 11. С верхнего неподвижного блока 11 трос 2 проходит через дополнительный неподвижный (направляющий) верхний блок 12 такого же диаметра, который закреплен такелажной скобой (не показано) к полой составной штанге 13 в районе ее плавного сопряжения с перекладиной 10. С помощью стакана-подпятника (не показано), натяжных тросов 14 составная штанга 13 закреплена да плите 15 - опоре падающего груза, расположенной на горизонтальной площадке вблизи водной акватории. Со стороны водной поверхности на плите 15 закреплена лебедка (не показано), барабан 16 которой закреплен на штанге 13 и служит нижним неподвижным такого же диаметра направляющим блоком для троса 2. Подачу воды (жидкий груз) в мерную емкость по непрерывному каналу (не показано) в полости составной штанги 13 и перекладины 10 обеспечивает водяной насос 17, сообщенный с водной акваторией и установленный на плите 15. При этом невозвратно-запорный клапан 7 имеет дистанционное управление, а плита оборудована датчиком контроля массы падающего жидкого груза в мерной емкости (не показано), установленным на ее посадочное место на плите.
Монтаж устройства и подготовку к выполнению эксперимента осуществляют в следующей последовательности. Выбирают открытую водную акваторию с наименьшей глубиной ее мерного участка, удовлетворяющей условию , где В - ширина модели судна, м; d - осадка модели судна, м. На береговом участке выбранной акватории открытого водоема горизонтально устанавливают металлическую плиту 15. На плите из отдельных участков труб монтируют и составляют штангу 13 и закрепляют ее на подпятнике (не показано) в вертикальном положении с помощью натяжных тросов 14. К штанге присоединяют насос водяной 17, нижний неподвижный (направляющий) блок 16, и до ее установки дополнительный неподвижный блок 12 и горизонтальную перекладину 10. На горизонтальной перекладине также до этого предварительно посредством такелажной скобы (не показано) закрепляют неподвижный блок 11 полиспаста и колено 9 с загрузочным патрубком 8. К оси подвижного блока 6 полиспаста посредством такелажной скобы (не показано) крепят мерную емкость 3, а к оси неподвижного блока 11 таким же путем - коренной конец буксировочного троса 2, ходовой конец которого пропускают через направляющие блоки 12 и 16 и закрепляют к носовой части модели судна 1. При этом площадь плиты должна быть такой, чтобы вертикаль центра тяжести элементов составной штанги и ее горизонтальной перекладины с наполненным каналом и с жидким грузом располагалась в пределах поверхности опорной плиты.
3
3
3
В процессе подготовки данных к экспериментальным исследованиям гидродинамических испытаний определяют плотность ρ, т/м воды в водоеме и для каждого i-го опыта устанавливают определенный объем Vi, м жидкого груза, соответствующий расчетной, величине буксировочного сопротивления Rmi, Н модели судна, и для заданной (известной) производительности Q (м/с) насоса определяют время ti=Vi/Q (с) заполнения мерной емкости до расчетного уровня.
Устройство используют следующим образом. Перед использованием делают пробный пуск без емкости 3 водяного насоса, проверяют заполнение канала водой, удаление воздуха через клапан вентиляции (не показан) на колене 9 и поступление воды из патрубка 8.
После проверки устройства модель судна позиционируют (устанавливают) в конце мерного участка акватории водоема на расстоянии L=kH (м) от начала мерного участка, где k - количество шкивов в полиспасте; Н (м) - расстояние, измеренное по вертикали от оси подвижного блока 6 в его верхнем положении до оси этого блока в его нижнем положении (от верхнего до нижнего положений подвижного блок полиспаста).
гр
м
гр
Одновременно с помощью лебедки с ее барабаном - блоком 16 подвижный блок 6 с пустой мерной емкостью 3 поднимают вверх на высоту Н до контакта приемного отверстия 5 мерной емкости с загрузочным патрубком 8. При соприкосновении патрубка 8 с мерной емкостью открывают невозвратно-запорный клапан 7 дистанционного привода и емкость заполняется жидким грузом до расчетного уровня. После заполнения емкости жидким грузом до расчетного уровня с истечением времени ti невозвратно-запорный клапан 7 на патрубке 8 закрывают, и по сигналу экспериментатора лебедка останавливается или переключается на холостой ход, при котором барабан лебедки работает как нижний направляющий блок 16 и емкость опускается под действием силы тяжести вертикально вниз со скоростью v=Н/τ (м/с), где τ - время, (с) опускания груза, сообщая (через буксирующий трос) движение присоединенной к буксирующему тросу модели судна со скоростью v=k v=kH/τ=L/τ, м/с.
3
мi
грi
мi
мi
мi
Движение модели прекращается, когда мерная емкость касается опорной плиты. При этом датчик контроля массы падающего жидкого груза дает отсчет его массы, значение которого учитывают при установлении величины объема падающего жидкого груза Vi, м. При соприкосновении днища емкости опоры сливное отверстие 4 открывается, и жидкий груз вытекает из мерной емкости. На этом проведение i-го опыта заканчивают, в результате которого фиксируют промежуток времени т (с) опускания емкости между крайним верхним и нижним положениями, вычисляют значения v (м/с) и v (м/с) и устанавливают соответствие R→v, где R Н - буксировочное сопротивление модели, которое задается экспериментатором в каждом i-м опыте расчетной величиной массовой силы падающего груза за вычетом сил трения в блоках буксирующей системы.