УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ЖИДКОСТИ В ТАНКАХ

Полезная модель относится к судостроению, в частности к танкерам морского, речного и смешанного плавания для перевозки нефти, нефтепродуктов, сжиженных газов и жидкостей различного назначения.
Известен нефтяной танкер (JP 6298172 [1]), содержащий двойной корпус с танками и балластными отсеками в бортах, и имеющий гаситель колебаний жидкости в танках в виде горизонтальных гофрированных элементов, разделяющих танки по высоте на две части, расположенные одна над другой, в которые помещают нефть. Недостатком известного средства гашения колебаний жидкости в танках является малая эффективность.
Известен танкер, содержащий двойной корпус с танками и балластными отсеками в бортах и днище, рулевую рубку, трубопроводы погрузки-разгрузки нефти или нефтепродуктов с насосным оборудованием, трубопроводной арматурой и устройства гашения колебаний нефти или нефтепродуктов в танках и/или балластных отсеках, которые выполнены в виде гофрированных непроницаемых продольных и поперечных переборок, содержащих, по крайней мере, один близкий к направлению нормали к плоскости переборки и близкий к направлению нормали к продольному направлению гофр пассивный гаситель колебаний жидкости, содержащейся в танке и/или балластном отсеке. (RU 2303553 [2]). Недостатком известного средства гашения колебаний жидкости в танках является малая эффективность.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности является танкер для нефти, содержащий ряд центральных танков, расположенных в продольном направлении, и некоторое количество бортовых танков, расположенных парами на той и другой стороне соответствующих центральных танков (WO 9325433 [3]). Центральные танки имеют ширину, меньшую половины ширины бортовых танков, причем в каждом наборе из трех танков центральный танк соединен с парой бортовых танков, расположенных по разные его стороны, переборочными клинкетами. В центральных танках имеются расположенные чередующиеся переборки или перегородки, проходящие от стороны к стороне в танках и простирающихся до примерно половины высоты танка. Они предназначены для предотвращения образования, простирающихся в продольном направлении, стоячих волн в грузе нефти.
Недостатком известного средства гашения колебаний жидкости в танках является малая эффективность устранения образования стоячих волн в нефти, находящейся в танке.
Заявляемое в качестве полезной модели устройство для предотвращения возбуждения колебаний жидкости в танках направлено на повышение эффективности гашения колебаний жидкости в танках.
Указанный результат достигается тем, что устройство для предотвращения возбуждения колебаний жидкости в танках выполнено в виде пластин, закрепленных на дне и/или на боковых стенках танка, поперек его продольной оси, в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке.
Указанный результат достигается также тем, что в пластинах, закрепленных на дне танка, выполнены проемы, при этом в смежных пластинах они выполнены на различном расстоянии от продольной оси танка.
Указанный результат достигается также тем, что пластины, закрепленные на дне, выполнены высотой не менее 1/3 высоты танка
Указанный результат достигается также тем, что пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к его продольной оси и симметрично относительно нее.
Указанный результат достигается также тем, что пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к продольной оси и параллельно друг другу.
Указанный результат достигается также тем, что пластины, закрепленные на дне танка, снабжены дополнительными пластинами, установленными перпендикулярно основным.
Указанный результат достигается также тем, что верхние края пластин снабжены горизонтальными полками.
Действие устройства основано на том, что колебания уровня, проявляющиеся в возвышениях свободной поверхности, сопровождаются неравномерными течениями, распределенными по всей толще жидкости. В области узлов, где вертикальные смещения жидкости отсутствуют, компенсаторные течения являются чисто горизонтальными. Подавление течений проявляется в гашении колебаний жидкости.
Выполнение средства гашения колебаний жидкости в виде пластин, закрепленных на дне и/или на боковых стенках танка, поперек его продольной оси, в узлах первых мод собственных колебаний жидкости в танке меняет характер течений, затрудняет и даже исключает формирование организованных колебаний, большой амплитуды, представляющих наибольшую опасность для навигации. Это объясняется тем, что колебаниями уровня в пучностях волн сопровождаются разнонаправленными течения во всем объеме жидкости в танке, которые в узлах имеют наибольшую скорость. При полном заполнении расположенные в узлах пластины конечной высоты частично тормозят, частично рассеивают энергию организованного движения. При обтекании пластин основное течение трансформируется в беспорядочное более мелкомасштабное вихревое, которое действует как гаситель основного потока, поглощает его энергию и эффективно преобразует в тепло за счет вязкости. При этом обеспечивается перемешивание жидкости, препятствующее разделению нефтепродуктов на фракции, кипящие при различной температуры, наличие которых может приводить к «эффекту опрокидывания», сопровождающегося скачком давления при разгрузке танка.
Возможны три варианта закрепления пластин в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке - только на дне, только на боковых стенках, и на дне и боковых стенках. Местоположение узлов с учетом формы танка может оцениваться по методике, развитой в работе Л.Д. Акуленко, С.А. Кумакшев, C.B. Нестеров «Собственные колебания тяжелой жидкости в эллиптическом бассейне», МЖГ, 2001. №4. С.129-142 [4] и уточняться по методике Акуленко Л.Д., Калиниченко В.Α., Нестеров C.B. «Сейши в канале с резким изменением рельефа дна» // Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2012. №3. С.113-121 [5]. Отклоняющие и разбивающие поток пластины располагаются в окрестностях узлов основных первых мод колебаний, в которых вовлекаемая в движение основная масса жидкости, создает большие возмущения давления, действующего на дно и стенки танка, которые приводят к раскачиванию и даже опрокидыванию судна на волнении.
В частных случаях реализации представляется полезным в пластинах, закрепленных на дне танка, выполнять проемы, при этом в смежных пластинах они должны быть выполнены на различном расстоянии от продольной оси танка. В проемах будут формироваться струи, соответствующие характерной моде колебаний (при центральном расположении в прямоугольном танке - первой, на расстоянии одной четверти длины бака - второй, еще на одной восьмой - третьей). Столкновения струй с другими пластинами будут создавать восходящие течения и водовороты в области узлов, исполняющие роль гасителей организованного движения. Причем гашении наиболее опасных колебаний происходит как за счет передачи энергии в формы течений, не вызывающие изменение уровня жидкости в танке, которые создают опасные вариации давления, раскачивающие судно при движении на волнении, поворотах или изменении его скорости, так и за счет ускорении диссипации вследствие передач энергии в компоненты течений и большими напряжениями сдвига скорости. При этом, эти проемы следует выполнять во всех вариантах закрепления пластин в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке - только на дне, только на боковых стенках и на дне и боковых стенках.
Целесообразно пластины, закрепленные на дне, выполнять высотой не менее 1/3 высоты танка. В этом случае эффективность гашения будет максимальна при полном наполнении танка за счет формирования разнонаправленных струи, которая будет сохраняться при частичном заполнении, что позволит расширить диапазон условий эксплуатации дорогостоящего судна, предназначенного, например, для перевозки жидких сжиженных газов. При таком выборе высоты одни части основного танка играют роль волнобойных колодцев для других частей, из которых переливается избыточная жидкость в гребне волны. Стенка такой высоты достаточна для подавления возбуждения основной моды, энергия которой почти экспоненциально спадает с удалением от дна. Выполнять пластины, закрепленные на дне, высотой более 1/3 высоты танка нецелесообразно, поскольку дальнейшее повышение высоты пластин снижает эффективность действия механизма подавления организованного волнения беспорядочными вертикальными струями за счет перелива жидкости через барьер
При реализации варианта установки поворотных пластин в узлах первых мод собственных колебаний жидкости в танке только на боковых стенках будет оптимально, если они будут закреплены под острым углом к его продольной оси и симметрично относительно нее. В этом случае беспорядочное волнение будет вызывать не только колебания уровня жидкости в танке, но и формировать вихревое течение с продольной струей, которое будет играть роль динамического демпфера вертикальных колебаний. Собственные моды спиральных волн на вращающейся жидкости действуют как дополнительный демпфер, подавляющий опасные колебания уровня и способствующий ускорению затухания механических движение за счет повышения эффективности диссипации.
При реализации второго варианта установки пластин в узлах двух мод собственных колебаний жидкости в танке только на боковых стенках могут размещаться под острым углом к продольной оси и параллельно друг другу. В этом колебания судна на волнении будут формировать в танке глобальное вихревое движение с минимумом скорости в центре, стабилизирующее колебания уровня и повышающее диссипацию механических движений жидкости за счет возбуждения коротких спиральных и более длинных инерциальных волн, всегда присутствующих в организованных вихрях, и взаимодействии вихря с неровной боковой поверхностью. Установка на дне дополнительных пластин, перпендикулярно основным позволит обеспечить подавление поперечных колебаний жидкости в танке. Здесь механизм подавления такой же, как в случае поперечного расположения пластин для подавления продольных колебаний.
В частных случаях реализации целесообразно верхние края пластин снабжать горизонтальными полками. В этом случае над основной струей опасных мод колебаний будет формироваться противоструя, повышающая эффективность подавления опасных крупномасштабных организованных движений. Одновременно полки будут способствовать развитию механизма динамического подавления колебаний не только основных, но и более высоких мод сложной пространственной структуры, примеры которых для эллиптического танка приводятся в работе Л.Д. Акуленко, С.А. Кумакшев, С.В. Нестеров «Собственные колебания тяжелой жидкости в эллиптическом бассейне», МЖГ, 2001. №4. С.129-142 [6].
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примерами реализации и чертежами.
Танкер содержит корпус с танками и балластными отсеками, рулевую рубку, трубопроводы погрузки-разгрузки жидких продуктов с насосным оборудованием, трубопроводной арматурой, двигательную установку и средства гашения колебаний жидкости в танках. Поскольку полезная модель направлена на гашение колебаний, то на чертежах и в примерах реализации будет показано только устройство танков со средствами гашения колебаний.
На фиг.1 схематично показан вариант установки пластин в узлах первых мод собственных колебаний жидкости в танке только на дне, (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.2 схематично показан вариант установки пластин в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке только на боковых стенках, (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.3 схематично показан вариант установки пластин в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке на дне и боковых стенках (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.4 схематично показан вариант, когда в пластинах, закрепленных на дне танка, выполнены проемы, при этом в смежных пластинах они выполнены на различном расстоянии от продольной оси танка (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.5 схематично показан вариант, когда пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к его продольной оси и симметрично относительно нее (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.6 схематично показан вариант, когда пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к его продольной оси и параллельно друг другу (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.7 схематично показан вариант установки пластин в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке только на дне, и снабжение их дополнительными пластинами, установленными перпендикулярно основным, (а - поперечное сечение танка, б - вид сверху). На фиг.8 схематично показан вариант установки пластин только на боковых стенках. На фиг.9 схематично показан вариант установки пластин только на боковых стенках, которые снабжены горизонтальными полками. На фиг.10 схематично показан вариант установки пластин в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке боковых стенках и на дне и снабжение их дополнительными пластинами, установленными перпендикулярно основным. На фиг.11 схематично показан вариант, когда пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к его продольной оси и симметрично относительно нее и снабжены горизонтальными полками.
Пример 1. В танке 1 (см. фиг.1), на его дне, поперек его продольной оси, в узлах первых мод собственных колебаний жидкости в танке установлены пластины 2. При движении танкера, жидкость, находящаяся в танке начинает движение, которое может перейти в колебания уровня большой высоты, затрудняющие навигацию и влияющие на безопасность (возможно опрокидывание, обмерзание в высоких широтах и другие неприятности). Наличие поперечных стенок затягивает процесс преобразования беспорядочных движений в опасные низкочастотные колебания большой амплитуды - низшие собственные моды с навалом жидкости на стенки танка и ограничивает их амплитуду за счет динамического демпфирования и усиления затухания вследствие усложнения характера течений за счет дополнительных струй и вихрей. В то же время простота конструкции несущественно удорожает изготовление судна и не осложняет процедуру заполнения, опорожнения и мойки танков.
Пример 2. В танке 1 (см. фиг.2), на его боковых стенках, поперек его продольной оси, в узлах первых мод собственных колебаний жидкости в танке установлены пластины 3. При движении танкера, жидкость, находящаяся в танке, совершает сложные движения, которые хорошо ориентированы в окрестности узлов. Боковые стенки здесь будут действовать также как установленные на дне - отклонять поток, формировать противотечения и водовороты, действующие как механические демпферы опасных видов колебаний. Достоинство таких устройств - «чистое» дно танка. Недостаток - более низкая их эффективность.
Пример 3. В танке 1 (см. фиг.3), на его дне и на его боковых стенках, поперек его продольной оси, в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке установлены пластины 2 (на дне) и 3 (на боковых стенках). Такое устройство объединяет действие двух вышеперечисленных и работает более эффективно, чем каждое из них по отдельности. При движении танкера, жидкость, находящаяся в танке совершает в основном мелкомасштабные движения, слабо возмущающие свободную поверхность.
Пример 4. В танке 1 (см. фиг.4), на его дне и на его боковых стенках, поперек его продольной оси, в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке установлены пластины 2 (на дне) и 3 (на боковых стенках). В пластинах 2, закрепленных на дне танка, выполнены проемы 4, при этом в смежных пластинах они выполнены на различном расстоянии от продольной оси танка. Установленные пластины создают противотечения, вихри и узкие, выходящие из проемов струи, которые отклоняются смежными пластинами, формируют интенсивное вихревое движение, действующее как эффективный динамический демпфер, подавляющий опасные колебания уровня. Одновременно проемы в стенках облегчают процедуры опорожнения и мойки танка.
Пример 5. В танке 1 (см. фиг.2), на его боковых стенках, поперек его продольной оси, в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке установлены пластины 3. Пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к его продольной оси и симметрично относительно нее. Пластины, установленные перпендикулярно и стенкам, отклоняют потоки, подтекающие с одной и другой стороны, симметрично. Наклонные пластины эффектно обращают ориентированное в угол встречное течение и только отклоняют на заданный угол попутное. Такая конфигурация препятствий способствует формированию в танке глобального вихревого течения с понижением уровня и минимумом скорости в центре танка. В толще вращающейся жидкости возбуждаются инерциальные, а на поверхности - спиральные волны, совокупность которых действует как дополнительный демпфер, поглощающий энергию нежелательных низкочастотных колебаний. Таким образом роль боковых пластин оказывается двоякой - они одновременно выступают как устройства, подавляющие крупномасштабные колебания, как устройства закрутки жидкости, стабилизирующее уровень свободной поверхности.
Пример 6. В танке 1 (см. фиг.2), на его боковых стенках, поперек его продольной оси, в узлах первых двух мод собственных колебаний жидкости в танке установлены пластины 3. Пластины на боковых стенках танка закреплены под острым углом к его продольной оси и параллельно друг другу. При движении танкера, жидкость, находящаяся в танке, вовлекается. Такая конфигурация препятствий способствует формированию в танке вихревого диполя с максимумом скорости в центр танка. В толще вращающейся жидкости возбуждаются инерциальные, а на поверхности - спиральные волны, совокупность которых действует как дополнительный демпфер, поглощающий энергию нежелательных низкочастотных колебаний.
Пример 7. В танке 1 (см. фиг.1), на его дне, вдоль его продольной оси, в узлах первых мод собственных поперечных колебаний жидкости в танке установлены пластины 4, в дополнение к пластинам 2, установленным перпендикулярно оси. Такая конфигурация пластин предназначена для гашения и продольных и опасных поперечных колебаний жидкости в танках, которые могут усиливать опасную бортовую качку. Принцип работы аналогичен, приведенному в примерах 1, 2.