СПОСОБ ГАШЕНИЯ ВЫНУЖДЕННОЙ ВИБРАЦИИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА СУДНА
METHOD FOR DAMPENING FORCED VIBRATION OF VESSEL HYDRODYNAMICAL STABILISER

Предлагаемый способ относится к судостроению, а именно к способам снижения вибрации гидродинамических стабилизаторов.
Известен активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля (штормовой аварийный движитель) по патенту РФ №2384457, МПК B63B 39/00, заявл. 25.04.2008, опубл. 20.03.2010.
Данный стабилизатор имеет два управляемых крыла или две поворотные насадки на гребных винтах, установленных на горизонтальных или наклонных баллерах в кормовой части корпуса корабля под прямым воздействием потока жидкости от работающих гребных винтов.
Способ стабилизации осуществляют следующим образом.
В штатном режиме работы по командам от измерительно-аналитической системы для компенсации кренящих моментов горизонтальные (наклонные) крылья перекладывают враздрай, или для компенсации дифферента при килевой качке для всплытия/погружения горизонтальные крылья перекладывают совместно.
Таким образом, при резких воздействиях штормовых волн на винторулевой комплекс упругие (подпружиненные) перекладки крыльев будут способствовать меньшим потерям хода судна.
Недостатком известного решения является то, что у крыльев отсутствуют средства активного снижения уровня их вибрации.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является способ активного успокоителя качки, в котором реализуют периодическую перекачку (перевалку) значительных объемов воды из одной емкости (бортовой цистерны) в другую, симметрично расположенную, с таким расчетом, чтобы создать необходимый компенсирующий момент, возвращающий судно в положение равновесия. Данное техническое решение может быть принято за прототип (Холодилин А.Н., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. - Л.: Судостроение, 1976. - С.157. Сайт ЗАО "Центральный научно-исследовательский институт судового машиностроения" http://www.sudmash.ru/produce/sudmash/ship-stabilizers.html).
Недостатком данного решения как и предыдущего также является отсутствие средств активного воздействия на вибрацию.
Основной целью предлагаемого способа является обеспечение эффективного гашения виброперемещений крыла гидродинамического крыльевого стабилизатора судна на различных режимах его движения.
Поставленная цель достигается тем, что герметичную внутреннюю полость крыла стабилизатора, разделенную проницаемыми переборками для обеспечения прочности, заполняют жидкостью с элементами, увеличивающими массу жидкости.
При этом, указанные элементы выполнены в виде шаров, изготовленных из тяжелого материала, например свинца, и помещенных внутрь шарообразных пластиковых контейнеров, частично компенсирующих силу тяжести элемента в жидкости (но не его массу).
Предлагаемый способ предусматривает два варианта заполнения отсека жидкостью. Первый - принудительный, при котором жидкость (возможно с элементами при малом их размере) закачивается в отсек с одновременной откачкой воздуха по трубопроводам (гибким шлангам) при помощи насосов. Второй вариант предусматривает заполнение отсека забортной водой через клапаны в обшивке крыла, которые обеспечивают поступление воды, и выход воздуха из внутренней полости крыла. Трубопровод может использоваться для продувки крыла сжатым воздухом и принудительного вытеснения из него жидкости. Элементы, увеличивающие массу жидкости, могут быть размещены внутри крыла предварительно (на этапе его изготовления или монтажа на судне).
Используемая для изменения массы крыла жидкость способна вследствие своих инерционных и специфичных упругих свойств оказывать существенное влияние на весь частотный спектр, а также на уровни колебаний конструкции в целом. Указанное влияние существенно отличается от влияния конструкционной массы (материала) крыла. В процессе колебаний влияние дополнительной конструкционной массы эквивалентно уменьшению жесткости конструкции. Масса содействует перемещениям. Ее влияние на жесткость проявляется синфазно внешней нагрузке.
Жидкость, находящаяся внутри конструкции крыла проявляет себя иным образом. Как сплошная среда, жидкость слабо сопротивляется сдвиговым деформациям, что лишает ее значимого влияния на жесткость конструкции. Поэтому движение большой массы жидкости, наоборот, всегда проявляется в противофазе по отношению к внешнему воздействию и движению крыла. Выявлена особенность жидкости перемещаться в резонансе с любой частотой внешнего силового воздействия и, смещаясь в противофазе, гасить колебания конструкции.
Для усиления эффекта во внутреннюю полость крыла вместе с жидкостью помещаются элементы, увеличивающие ее массу. В качестве таких элементов может быть использована, например, тяжелая металлическая дробь. Последнюю заключают в сферическую оболочку - контейнер, изготовленный из легкого прочного материала, например из пластмассы. Выталкивающая сила, действующая в жидкости на контейнер с дробью, уменьшает (компенсирует) его силу тяжести. Поэтому наиболее целесообразно использование жидкости с большим удельным весом, например, глицерина и т.п.
Вместе с тем, жидкость, находящаяся в замкнутом объеме, обладая существенной массовой плотностью и объемной упругостью, неизбежно вовлекается и в общие перемещения металлической конструкции крыла, смещая при этом в сторону уменьшения спектр частот ее собственных колебаний. Дозированная закачка жидкости с наполнителем внутрь конструкции, разделенной на отсеки, способна обеспечить более точное управление спектром собственных частот. Отстройка конструкции от резонансных режимов особенно важна в связи с высокой плотностью указанного спектра, а также с невозможностью априорной оценки возбуждаемых форм колебаний конструкции при различных режимах движения на стадии проектирования судна.
Таким образом, жидкость, находящаяся внутри замкнутой полости, проявляет себя двойственным образом: с одной стороны, как присоединенная масса, она снижает частоты собственных колебаний, уводит конструкцию из резонансной области, а с другой, как свободно перемещающаяся масса, препятствует виброперемещениям, снижает амплитуду колебаний основной конструкции.
Для улучшения эксплуатационных качеств оболочки контейнера ее изготавливают двухслойной. Внешний (скользкий) тонкий слой изготавливают из шумопоглощающего износостойкого материала (например, из резины или пластмассы). Внутренний слой должен быть изготовлен из достаточно прочного материала для того, чтобы предотвратить разрушение оболочки дробью (в качестве материала наполнителя может служить, например, пористая пластмасса). Для уменьшения уровня шума, являющегося следствием трения контейнеров о крыло, внутренние поверхности последнего покрывают слоем шумопоглощающего водостойкого материала (например, резины, пластмассы).
Способ осуществляют следующим образом.
Для снижения уровня вынужденной вибрации гидродинамического стабилизатора судна на различных режимах его движения герметичная внутренняя полость крыла, образованная внешней обшивкой и проницаемыми торцевыми переборками, заполняется жидкостью, содержащей элементы, увеличивающие ее массу. Данные элементы представляют собой шары, изготовленные из тяжелого материала, например свинца. Элементы размещены внутри шарообразных пластиковых контейнеров, частично компенсирующих в жидкости силу тяжести, но не массу. Жидкость с элементами, находящаяся внутри крыла и заполняющая весь его внутренний объем, обеспечивает эффективное демпфирование конструкции крыла в широком диапазоне частот.
Подача жидкости внутрь крыла и откачка жидкости и воздуха осуществляются при помощи насосов по трубопроводам (гибким шлангам). В наиболее простом варианте реализации предлагаемого способа в качестве демпфирующей жидкости может быть использована забортная вода, которая свободно поступает во внутренние полости крыла и вытесняет находящийся там воздух через клапаны, установленные в наружной обшивке крыла стабилизатора. При этом шарообразные элементы, обеспечивающие увеличение массы жидкости и усиливающие ее демпфирующий эффект, могут размещаться внутри крыла предварительно (например, еще на этапе его изготовления или монтажа крыла на судне), а трубопровод может использоваться для освобождения внутренней полости от жидкости путем ее продувки сжатым воздухом.
Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства гашения вынужденной вибрации гидродинамического стабилизатора судна, которое изображено на фиг.1, 2, 3, где на:
фиг.1 показан внешний вид конструкции гидродинамического стабилизатора;
фиг.2 приведен поперечный разрез контейнера;
фиг.3 показан продольный разрез отсека крыла;
Устройство гашения вынужденной вибрации гидродинамического стабилизатора судна содержит (фиг.1): крыло 1 стабилизатора с внутренней герметичной полостью 2, заполняемой водой и контейнерами 3. Крыло 1 стабилизатора включает проницаемые переборки 4, обеспечивающие крылу необходимую прочность. В наиболее простом варианте конструкция имеет впускной 5 и выпускной 6 клапаны с автоматическим управлением для доступа забортной воды и выпуска воздуха из отсека.
Каждый контейнер, помещаемый во внутреннюю полость крыла, имеет (фиг.2) внешнюю оболочку 7, внутрь которой помещена дробь 8.
На фиг.3 показан продольный разрез отсека крыла в плане, а также поперечное сечение A стабилизатора. Закачка и откачка жидкости и воздуха, находящегося внутри крыла 1 (см. фиг.3), осуществляется насосами через гибкие шлаги 9 и 10, проложенные внутри баллера 11 крыла 1.
Таким образом, предложен способ, применение которого позволит эффективно гасить вибрации гидродинамического стабилизатора на различных режимах движения, повысить надежность всего устройства стабилизации, улучшить условия обитаемости в прилежащих помещениях судна. Возможность активного воздействия на вибрацию расширит область допустимых параметров и конструктивных материалов, анализируемых в процессе проектной оптимизации конструкции. При этом появится возможность принятия таких проектных решений, для которых вибрация оказывается главным сдерживающим фактором.