СИСТЕМА ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ БРОЧИНГА
PREVENTION SYSTEM OF BROCHING

Изобретение относится к области судостроения и касается средств повышения курсовой устойчивости судов.
Известен корпус судна, содержащий обшивку, подкрепленную набором со шпангоутами эллиптической формы, причем площадь шпангоутов, равноудаленных от мидель-шпангоута, равна между собой, что позволило уменьшить волновое сопротивление судна (Авторское свидетельство СССР №816859, МПК В63В 1/06, опубл. 30.03.1981 г.).
Недостатком данного корпуса судна является то, что на попутном волнении возможно возникновение явления брочинга. При этом обычно скорость волны больше скорости судна и поэтому судно не слушается руля. Это вызвано тем, что при равенстве скоростей движения судна и волны прекращается обтекание корпуса и пера руля потоком воды, а попутный поток вызывает на руле момент, стремящийся развернуть судно. В таком состоянии судно, находясь на границе устойчивости движения, получает случайное возмущение и резко разворачивается лагом к волне. Это может привести к опрокидыванию (Чижиумов С.Д. Основы динамики судов на волнении: учеб. пособие. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «КнАГТУ», 2010. - С. 106-108).
В качестве ближайшего аналога приняты успокоители качки, выполняемые в виде крыльев-стабилизаторов, устанавливаемых на корпусе по бортам (В.В. Ишков. Метод расчета нагрузок, определяющих прочность скоростных судов с крыльями-стабилизаторами качки. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук: 05.08.01 - Теория корабля и строительная механика. - СПб.: ЦНИИ им. Акад. П.Н. Крылова, 2011, с. 4-6), позволяющие снижать амплитуды килевой, вертикальной и бортовой качки судна, повышая тем самым его мореходные качества.
Существенным недостатком данных успокоителей качки является то, что они не включаются в работу в случае разворота судна в горизонтальной плоскости, что имеет место в случае брочинга (Чижиумов С.Д. Основы динамики судов на волнении: учеб. пособие. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУ ВПО «КнАГТУ», 2010. - С. 106-108). В результате этого судно на попутном волнении может стать неустойчивым на курсе, развернуться лагом к волне и перевернуться.
Процесс брочинга начинается с выравнивания скоростей судна и воды, обтекающей корпус, т.е. при относительной скорости воды, равной нулю. При увеличении скорости воды относительно судна обтекание корпуса судна начинается не с носа, а с кормы, а так как этот процесс не установившийся, судно начинает разворачивать. Рулевой, видя поворот судна в сторону (например, вправо) и не зная, что обтекание корпуса судна идет со стороны кормы, стремится вернуть судно на прежний курс, поворачивая перо руля влево (фиг. 1), что еще быстрее разворачивает судно лагом к волне и создает предпосылки переворота судна под действием опрокидывающего момента, образующегося за счет разницы гидродинамических давлений на борта.
Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая возникновение брочинга за счет обеспечения курсовой устойчивости судна с использованием гидродинамических сил, действующих в районе носовой оконечности судна в направлении движения.
Для получения необходимого технического результата в системе предотвращения брочинга, содержащей крылья-стабилизаторы, закрепленные на корпусе судна, предлагается корпус выполнить с выемками на носовой оконечности под крылья-стабилизаторы, которые закрепить в выемке со стороны носа судна с возможностью поворота относительно вертикальной оси, причем каждую выемку снабдить упругим элементом, жесткость которого выбрать такой, чтобы обеспечивала отклонение крыла-стабилизатора от корпуса, при условии, что скорость судна относительно потока воды меньше заданной величины, и определять из условия:
0
где С - коэффициент, зависящий от формы крыльев-стабилизаторов;
h - высота крыла-стабилизатора, м;
L - длина крыла-стабилизатора, м;
α - угол между касательной к ватерлинии и линией симметрии ватерлинии, проведенной на уровне установки крыльев-стабилизаторов, рад;
0
V - скорость, при которой происходит закрытие крыла-стабилизатора, м/с;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
Δ - абсолютное укорочение упругого элемента по отношению к его свободному состоянию при полном закрытии крыла-стабилизатора, м;
- расстояние от оси шарнира до упругого элемента, м.
В предлагаемом техническом решении при приближении скорости потока воды к скорости судна давление на крылья-стабилизаторы становится близким к нулю и под действием упругого элемента и набегающего со стороны кормы потока воды происходит отклонение крыльев-стабилизаторов от корпуса, благодаря чему создается гидродинамическая сила, действующая в районе носовой оконечности судна в направлении движения, повышается устойчивость судна на курсе и исключается возможность его разворота лагом к волне и опрокидывания.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - схема разворота судна при брочинге;
на фиг. 2 - продольное сечение корпуса судна горизонтальной плоскостью с крыльями-стабилизаторами системы предотвращения брочинга в закрытом состоянии;
на фиг. 3 - продольное сечение корпуса судна горизонтальной плоскостью с крыльями-стабилизаторами системы предотвращения брочинга в открытом состоянии;
на фиг. 4 - изменение гидродинамической силы, действующей на крылья-стабилизаторы, в зависимости от разности скоростей потока воды и судна.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - крыло-стабилизатор;
2 - упругий элемент;
3 - выемка на носовой оконечности;
4 - шарнир;
5 - корпус судна;
I, II, III - положения судна в процессе разворота;
II
III
β, β - углы поворота судна по отношению к первоначальному направлению движения в процессе разворота при брочинге, рад;
- расстояние от оси шарнира до упругого элемента, м;
L - длина крыла-стабилизатора, м;
α - угол между касательной к ватерлинии и линией симметрии ватерлинии, проведенной на уровне установки крыльев-стабилизаторов, рад;
ΔV - разность скоростей потока воды и судна, м/с;
к
F - гидродинамическая сила, действующая на крылья-стабилизаторы и обеспечивающая устойчивость судна на курсе, Н.
Конструкция системы предотвращения брочинга состоит из крыльев-стабилизаторов 1, закрепленных при помощи шарниров 4 на корпусе судна 5, содержащем выемки на носовой оконечности 3, а также упругих элементов 2.
Система предотвращения брочинга работает следующим образом. При эксплуатации судна в штатном режиме набегающий с носа поток воды прижимает крылья-стабилизаторы 1 к корпусу судна 5 в выемках на носовой оконечности 3, преодолевая сопротивление упругих элементов 2. Если при движении судна в условиях попутного волнения либо сильного течения на мелководье происходит выравнивание скорости судна и скорости потока воды (т.е. относительная скорость судна приближается к нулю), либо поток воды начинает обтекать судно в направлении от кормы к носу, то под действием упругих элементов происходит отклонение крыльев-стабилизаторов 1 от корпуса судна 5. Дальнейшее отклонение крыла-стабилизатора 2 от первоначального положения (фиг. 2) вызывается потоком воды, который переводит крыло-стабилизатор 2 в положение, показанное на фиг. 3, за счет поворота в шарнире 4. Крылья-стабилизаторы 2, перейдя в крайнее положение, передают действующую на них гидродинамическую силу на корпус судна 5, в результате чего на носовую оконечность действует сила, направленная в сторону движения потока, которая и увлекает судно в том же направлении. Эта сила обеспечивает устойчивость судна на курсе и исключает возможность резкого разворота судна лагом к волне и его опрокидывание. Судно с традиционной конструкцией в условиях попутного волнения не обладает достаточной устойчивостью и вследствие случайных возмущений нередко разворачивается перпендикулярно первоначальному направлению движения и переворачивается.
Определить жесткость упругого элемента можно из условия, чтобы при некоторой заданной заранее скорости движения судна крылья-стабилизаторы 1 были в закрытом состоянии, т.е. находились в выемках на носовой оконечности 3, и, тем самым, не создавали бы дополнительного сопротивления движению судна. Оценить силу, действующую на крылья-стабилизаторы 2, можно с использованием (Кухлинг X. Справочник по физике: пер. с нем. 2-е изд. - М.: Мир, 1985. - 520 с.). Так, на тело, находящееся в потоке жидкости, действует сила
где С - коэффициент, зависящий от формы тела, числа Рейнольдса;
2
S - площадь наибольшего сечения тела в плоскости, перпендикулярной направлению потока, м;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м;
V - скорость набегающего на тело потока жидкости, м/с.
В случае, когда крыло-стабилизатор 2 полностью прижимается к корпусу, моменты гидродинамической силы и усилия сжатия пружины относительно оси шарнира 4 равны. Из этого условия можно определить требуемую жесткость упругого элемента
0
где С - коэффициент, зависящий от формы крыльев-стабилизаторов;
h - высота крыла-стабилизатора, м;
k - коэффициент жесткости упругого элемента, Н/м;
0
V - скорость, при которой происходит закрытие крыла-стабилизатора, м/с;
Δ - абсолютное укорочение упругого элемента по отношению к его свободному состоянию при полном закрытии крыла-стабилизатора, м;
L - длина крыла-стабилизатора, м;
- расстояние от оси шарнира до упругого элемента, м;
α - угол между касательной к ватерлинии и линией симметрии ватерлинии, проведенной на уровне установки крыльев-стабилизаторов, рад;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м.
С использованием тех же подходов можно оценить величину гидродинамической силы, обеспечивающей курсовую устойчивость судна при реализации предлагаемых конструктивных решений:
к
к
2
F=C⋅L⋅h⋅(ΔV)⋅ρ,
к
где F - гидродинамическая сила, обеспечивающая курсовую устойчивость судна, Н;
к
С - коэффициент, зависящий от формы крыльев-стабилизаторов, который в первом приближении может быть принят равным 1,11 как для пластины, перпендикулярной потоку;
n
c
ΔV=V-V - разность скоростей потока воды и судна, м/с;
n
V - скорость потока, м/с;
c
V - скорость судна, м/с;
L - длина крыла-стабилизатора, м;
h - высота крыла-стабилизатора, м;
3
ρ - плотность жидкости, кг/м.
Изменение гидродинамической силы, действующей на крылья-стабилизаторы и обеспечивающей устойчивость судна на курсе, в зависимости от разности скоростей потока воды и судна при обтекании от кормы к носу представлено на фиг. 4. Расчет выполнен для крыльев-стабилизаторов с параметрами L=3 м и h=3 м, значения скоростей представлены в узлах.
Таким образом, предлагаемая конструкция повышает курсовую устойчивость судна на попутном волнении, предотвращает разворот судна лагом к волне, что позволяет избежать опрокидывания судна, и, следовательно, повысить безопасность мореплавания.