ОПЫТОВЫЙ БАССЕЙН (ВАРИАНТЫ)
TESTING TANK (VERSIONS)

Изобретение относится к области экспериментальной техники для исследований гидродинамики и динамики судов и касается создания опытовых бассейнов с возможностями моделирования в них волнения.
Известны опытовые бассейны, выполненные в виде прямоугольной чаши, заполненной водой, оборудованные волнопродукторами вдоль одной или двух примыкающих друг к другу сторон чаши и волногасителями на противоположных по отношению к волнопродукторам сторонах чаши, выполненными в виде проницаемых щитов (Информационный бюллетень Международной конференции опытовых бассейнов «ittc-news» №48, июнь 2003).
Известен также опытовый бассейн Голландской фирмы MARIN, в котором волногаситель, расположенный напротив волнопродуктора и выполненный из установленных под переменным углом к набегающему потоку щитов, содержит опускаемые на дно секции, благодаря чему обеспечивается возможность транспортировки через волногаситель по воде испытуемых моделей с участка подготовки моделей в рабочую зону бассейна (Рекламный проспект фирмы MARIN Challenging wave and winds - Linking hydrodynamic research to the maritime industry)), раздел «Seakeeping and Manoeuvring Basin», www.marin.nl) - прототип.
Однако в таком бассейне сложно поддерживать высокое качество генерируемых волн из-за недостаточной эффективности волногасителей, приводящей к проникновению в бассейн встречных волн, отраженных от стен чаши бассейна. Влияние отраженных волн особенно проявляется в тех случаях, когда волны имеют большую длину (до нескольких метров) и большую высоту. Их действие распространяется на глубины, составляющие до половины длины волны, а если глубина бассейна меньше указанной глубины распространения волн, что характерно для многих маневренно-мореходных бассейнов, - то до его дна. Использование для уменьшения уровня отраженных волн высокоэффективных волногасителей других типов, например, выполненных в виде закрепленной на дне и стенах чаши бассейна группы перфорированных пластин, делает трудновыполнимой и, как следствие, дорогостоящей задачу создания опускных секций таких волногасителей, без которых сложно осуществлять перевод моделей через волногаситель из внутренних водоемов (доков), где они готовятся к испытаниям, в рабочую часть бассейна и обратно.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение уровня негативного влияния волн, отраженных от стен чаши бассейна, на характеристики волнения в рабочей части бассейна за счет использования высокоэффективной конструкции волногасителя и обеспечение при этом опускания на глубину секций волногасителя для создания в нем прохода для вывода в рабочую часть бассейна моделей.
Для этого в опытовом бассейне, содержащем прямоугольную чашу, заполненную водой, волнопродуктор, смонтированный вдоль одной или двух сторон чаши, и волногаситель, расположенный вдоль противоположных по отношению к волнопродуктору сторон чаши, выполненный из установленных под углом к набегающему волновому потоку проницаемых щитов и имеющий, по меньшей мере, одну опускаемую на глубину секцию, по изобретению к проницаемым щитам волногасителя снизу прикреплены не менее двух перфорированных пластин, расположенных параллельно друг другу и простирающихся на всю ширину бассейна и на глубину ΔН, определяемую из условия:
max
где η - глубина бассейна в месте расположения перфорированных пластин, L - максимальная длина волн, генерируемых волнопродуктором, причем к проницаемым щитам секций, опускаемых на глубину, перфорированные пластины прикреплены шарнирно.
Причем коэффициент проницаемости перфорированных пластин изменяется последовательно от пластины к пластине, пропорционально уменьшаясь в направлении распространения волн от значения 0,55 на первой к набегающему фронту волны пластине до значения 0,15 на последней, при этом размеры ячеек перфорации уменьшаются от пластины к пластине в той же пропорции.
Кроме того, секции волногасителя, опускаемые на глубину, оборудованы устройством разворота перфорированных пластин.
При этом устройство разворота перфорированных пластин выполнено в виде шарнирно-рычажного механизма, включающего центральный поворотный узел, закрепленный посредством оси вращения на проницаемом щите секции волногасителя, опускаемой на глубину, верхнего рычага, шарнирно соединенного с центральным поворотным узлом и чашей бассейна, и нижнего рычага, шарнирно соединенного с центральным поворотным узлом и, например, с передней перфорированной пластиной, которая, в свою очередь, соединена шарнирно тягами с соседними перфорированными пластинами, причем оси шарниров крепления верхнего и нижнего рычагов к центральному поворотному узлу не совпадают с осью вращения самого центрального узла относительно проницаемого щита секции волногасителя.
Кроме того, устройство разворота перфорированных пластин выполнено в виде блочно-тросовой конструкции, включающей, по меньшей мере, один направляющий блок для проводки троса, расположенный на проницаемом щите секции волногасителя, и трос, верхний конец которого закреплен на чаше бассейна, а нижний, например, на передней перфорированной пластине, которая, в свою очередь, соединена тросами с соседними перфорированными пластинами.
В другом варианте исполнения в указанном опытовом бассейне, содержащем прямоугольную чашу, заполненную водой, волнопродуктор, смонтированный вдоль одной или двух сторон чаши, и волногаситель, расположенный вдоль противоположных по отношению к волнопродуктору сторон чаши, выполненный из установленных под углом к набегающему волновому потоку проницаемых щитов и имеющий, по меньшей мере, одну опускаемую на глубину секцию, по изобретению с нижней стороны проницаемых щитов волногасителя установлены не менее двух перфорированных пластин, расположенных параллельно друг другу и простирающихся на всю ширину бассейна, выполненных разделенными по высоте на две части, из которых верхние шарнирно прикреплены к проницаемым щитам секций, а нижние жестко закреплены на дне чаши бассейна. Причем плоскости закрепленных на дне нижних частей пластин смещены относительно плоскостей прикрепленных к проницаемым щитам верхних частей на величину, не превышающую вертикального размера перфорации соответствующей перфорированной пластины.
Причем коэффициент проницаемости перфорированных пластин изменяется последовательно от пластины к пластине, пропорционально уменьшаясь в направлении распространения волн от значения 0,55 на первой к набегающему фронту волны пластине до значения 0,15 на последней, при этом размеры ячеек перфорации уменьшаются от пластины к пластине в той же пропорции.
Кроме того, секции волногасителя, опускаемые на глубину, оборудованы устройством разворота верхних частей перфорированных пластин.
При этом устройство разворота верхних частей перфорированных пластин выполнено в виде шарнирно-рычажного механизма, включающего центральный поворотный узел, закрепленный посредством оси вращения на проницаемом щите секции волногасителя, опускаемой на глубину, верхнего рычага, шарнирно соединенного с центральным поворотным узлом и чашей бассейна, и нижнего рычага, шарнирно соединенного с центральным поворотным узлом и, например, с верхней частью передней перфорированной пластины, которая, в свою очередь, соединена шарнирно тягами с верхними частями соседних перфорированных пластин, причем оси шарниров крепления верхнего и нижнего рычагов к центральному поворотному узлу не совпадают с осью вращения самого центрального узла относительно проницаемого щита секции волногасителя.
Кроме того, устройство разворота верхних частей перфорированных пластин выполнено в виде блочно-тросовой конструкции, включающей, по меньшей мере, один направляющий блок для проводки троса, расположенный на проницаемом щите секции волногасителя, и трос, верхний конец которого закреплен на чаше бассейна, а нижний, например, на верхней части передней перфорированной пластины, которая, в свою очередь, соединена тросами с верхними частями соседних перфорированных пластин.
Прикрепление к проницаемым щитам волногасителя с их нижней стороны перфорированных пластин имеет целью обеспечить дополнительное гашение волн, не потерявших полностью своей энергии при прохождении проницаемых щитов. Использование перфорированных пластин для гашения волн известно из мировой практики, как способ, альтернативный применению проницаемых щитов, устанавливаемых под углом к набегающему потоку (постоянным или переменным по ходу распространения волн). В этом случае, в отсутствие проницаемых щитов, требуется достаточно большое количество перфорированных пластин. Из известных конструкций минимальное количество - 5 - принято в Болгарском институте гидродинамики судна, а максимальное - 15 - в гидравлической лаборатории национального исследовательского центра Канады.
В предлагаемом устройстве, когда перфорированные пластины установлены дополнительно к проницаемым щитам, количество пластин, как показали модельные испытания, может быть уменьшено вплоть до двух, при которых для широкого диапазона параметров генерируемого волнения и геометрических параметров бассейна достигается требуемое снижение уровня отраженных волн.
Перфорированные пластины должны располагаться параллельно друг другу и простираться на всю ширину бассейна. По глубине пластины должны доходить до дна чаши бассейна, если глубина бассейна в месте расположения пластины не превышает полудлины наибольших генерируемых волнопродуктором бассейна волн. При этом допустим технологический зазор между перфорированными пластинами и дном чаши бассейна, но не более 5% от глубины бассейна в месте расположения пластин, то есть такой зазор, который сопоставим с вертикальным размером перфорации пластин. Если же глубина бассейна превышает величину указанной полудлины максимальных генерируемых волнопродуктором волн, то заглубление перфорированных пластин может быть ограничено этой величиной полудлины максимальных волн.
Перфорированные пластины секций волногасителя, опускаемых на глубину, должны крепиться к проницаемым щитам шарнирно, что обеспечит их складывание при опускании секций на заданную глубину.
Коэффициент проницаемости перфорированных пластин должен последовательно изменяться от пластины к пластине, пропорционально уменьшаясь в направлении распространения волн от значения 0,55 на первой к набегающему фронту волны пластине до значения 0,15 на последней. В той же пропорции должны уменьшаться от пластины к пластине размеры ячеек перфорации. Указанные граничные значения установлены экспериментально и им соответствуют следующие физические предпосылки. На первую пластину набегают волны, характеризующиеся сравнительно высокой энергией. При существенно больших, чем 0,55, коэффициентах проницаемости возможно практически свободное прохождение волн через пластину, что делает установку таких пластин нецелесообразным, а при существенно меньших значениях возможно преждевременное отражение волн большой энергии от пластины, как от плоской стенки. Такая же картина будет наблюдаться на последней пластине, но уже в отношении волн, имеющих меньшую длину и обладающих меньшей энергией.
Для разворота перфорированных пластин секций, опускаемых на глубину, без которого дно чаши бассейна не позволит опуститься секциям с подвешенными под ними перфорированными пластинами, требуется хотя бы простейшее устройство. Наиболее рациональными (по техническому исполнению, эксплуатационным свойствам и стоимости реализации) являются шарнирно-рычажные и блочно-тросовые устройства кинематического типа, не требующие для разворота пластин специальных приводов (приводы используются только для управляемого спуска и подъема секций волногасителя в целом).
В конструкции шарнирно-рычажного механизма имеется центральный поворотный узел, выполненный в виде кривошипа, сектора или иного элемента, закрепленного посредством оси вращения на проницаемом щите секции, опускаемой на глубину. К центральному поворотному узлу посредством шарниров, оси которых не совпадают с осью вращения самого центрального узла, прикреплены верхний и нижний рычаги (тяги). Второй конец верхнего рычага также шарнирно соединен с чашей бассейна, а второй конец нижнего рычага шарнирно соединен с одной из перфорированных пластин, которая, в свою очередь, соединена шарнирно тягами с соседними перфорированными пластинами.
Блочно-тросовый вариант устройства разворота перфорированных пластин предусматривает установку на проницаемом щите, по меньшей мере, одного направляющего блока, через который проводится трос. Один конец троса крепится к чаше бассейна, а второй - к одной из перфорированных пластин, которая, в свою очередь, соединяется тросами с другими перфорированными пластинами.
По другому варианту бассейна перфорированные пластины секций волногасителя, опускаемых на глубину, выполнены разделенными по высоте на две части. В этом случае верхние части пластин шарнирно закреплены на проницаемых щитах секций, а нижние жестко прикреплены на дне к чаше бассейна так, чтобы плоскости закрепляемых на дне нижних частей перфорированных пластин были смещены относительно плоскостей верхних частей пластин на величину, не превышающую вертикального размера принятой для соответствующей пластины перфорации. При такой конструкции за счет уменьшения высоты поворотных частей перфорированных пластин упростится задача разворота этих частей.
Сущность изобретения поясняется рисунками (фиг.1-5), где на фиг.1 представлен вид опытового бассейна в плане, на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1, на фиг.3 - шарнирно-рычажный механизм разворота перфорированных пластин, на фиг.4 - блочно-тросовый механизм разворота перфорированных пластин, на фиг.5 - вариант с разделенными по высоте на две части перфорированными пластинами.
Опытовый бассейн содержит прямоугольную в плане чашу 1, заполненную водой, волнопродуктор 2 и волногаситель, расположенный на противоположной от волнопродуктора стороне чаши бассейна и выполненный в виде установленных под углом к набегающему волновому потоку проницаемых щитов 3 (фиг.1, 2). Волногаситель имеет опускаемую на глубину секцию 4, к которой посредством шарниров 5 закреплены перфорированные пластины 6. Перфорированные пластины простираются на всю ширину бассейна и на глубину ΔН (фиг.2), составляющую не менее 95% глубины бассейна η или не менее полудлины максимальных генерируемых в бассейне волн, если глубина бассейна превышает указанную полудлину максимальных волн.
Шарнирно-рычажный механизм для разворота перфорированных пластин при опускании секции на глубину включает (фиг.3) центральный поворотный узел 7, закрепленный на опускаемой на глубину секции 4 посредством оси вращения 8. К центральному поворотному узлу 7 шарнирно прикреплены верхний рычаг 9 и нижний рычаг 10. Второй конец верхнего рычага шарнирно прикреплен к чаше бассейна 1, а нижнего - к перфорированной пластине 6. Перфорированные пластины, в свою очередь, соединены между собой шарнирно тягами 11.
Кроме того, устройство разворота перфорированных пластин может быть выполнено в виде блочно-тросовой конструкции (фиг.4). В этом случае на опускаемой на глубину секции 4 монтируется, по меньшей мере, один направляющий блок 12, через который проводится трос 13. Один конец троса крепится к чаше бассейна 1, а другой - к перфорированной пластине 6. Перфорированные пластины, в свою очередь, соединяются между собой тросами 14.
В другом варианте перфорированные пластины 6, установленные с нижней стороны опускаемой на глубину секции 4, могут быть выполнены разделенными по высоте на две части (фиг.5). Верхние части 15 крепятся шарнирно к опускаемой на глубину секции 4, а нижние 16 устанавливаются жестко на дне чаши бассейна. Допустимый при установке нижних частей перфорированных пластин зазор 8 между плоскостями верхних и нижних пластин должен соответствовать вертикальному размеру перфорации соответствующих пластин t (фиг.5).
Предлагаемый опытовый бассейн используется следующим образом.
При работе волнопродуктора 2, создающего в чаше бассейна 1 волны, все опускаемые на глубину секции волногасителя 4 должны быть подняты для исключения образования отраженных от стен бассейна волн, искажающих волны в рабочем пространстве бассейна. При этом перфорированные пластины 6 подвешены под опускаемые на глубину секции 4 на шарнирах 5 вертикально. При опускании секций на глубину для открытия прохода моделям, выводимым для испытаний с участка подготовки моделей или возвращаемым на этот участок после испытаний, перфорированные пластины 6 должны развернуться, чтобы не упереться в дно чаши бассейна. При шарнирно-рычажной схеме устройства разворота (фиг.3) вследствие постоянства длины верхнего рычага 9 при опускании секции 4 происходит поворот относительно этой секции центрального поворотного узла 7. Соответственно, через нижний рычаг 10, связывающий центральный поворотный узел с перфорированной пластиной 6, последняя поворачивается вокруг шарнира 5, отклоняется от вертикального положения и освобождает пространство для опускания секции волногасителя. Отклоняются также и другие перфорированные пластины, шарнирно связанные с первой тягой 11. Обратный процесс - возвращение перфорированных пластин в вертикальное положение при подъеме секции волногасителя - происходит за счет момента сил отрицательной плавучести перфорированных пластин относительно осей шарниров 5.
При использовании для разворота перфорированных пластин блочно-тросового механизма (фиг.4) необходимый разворот пластин будет происходить за счет изменения геометрии линии троса 13, проведенного через направляющий блок 12 и связывающего фиксированную точку на чаше бассейна с точкой крепления на перфорированной пластине 6. Опускание секции волногасителя на глубину будет сопровождаться увеличением расстояния направляющего блока 12 от точки крепления троса к чаше бассейна. Это приведет к такому же уменьшению расстояния от блока до точки крепления троса на перфорированной пластине. Последнее неизбежно вызовет поворот пластины вокруг шарнира 5. Поворот других перфорированных пластин произойдет за счет их связи тросами 14 с первой пластиной. Возвращение перфорированных пластин в вертикальное положение при подъеме секций волногасителя произойдет, как и в варианте с шарнирно-рычажным механизмом, за счет момента сил отрицательной плавучести перфорированных пластин относительно осей шарниров 5.
В другом варианте исполнения, когда в конструкцию опускаемых на глубину секций волногасителя будут включены перфорированные пластины, разделенные по высоте на две части (фиг.5), кинематика всех элементов устройства останется в точности такой, как она изложена выше для сплошных пластин, но с тем отличием, что вместо пластин, простирающихся по высоте на глубину, соответствующую полудлине максимальных волн или глубине бассейна, в зависимости от того, какая величина меньше, в варианте с разделенными на две части пластинами это относится лишь к верхним частям перфорированных пластин 15, закрепленным шарнирно на проницаемых щитах. При этом нижние части пластин 16 должны быть установлены жестко на дне чаши бассейна со смещением их плоскостей относительно плоскостей верхних пластин на величину, не превышающую вертикального размера перфорации соответствующих пластин.
Практическая реализация заявленного технического решения промышленной сложности не представляет, что позволяет сделать вывод о соответствии этого решения условию патентоспособности «промышленная применимость».
Предлагаемый опытовый бассейн обеспечит улучшение характеристик генерируемого волнопродуктором волнения и, следовательно, качества модельного эксперимента без ухудшения других эксплуатационных свойств бассейна, в том числе технологичности процессов подготовки и проведения испытаний, что выгодно отличает этот бассейн от прототипа.