СПОСОБ УМЕРЕНИЯ БОРТОВОЙ КАЧКИ СУДНА ПОСРЕДСТВОМ ПАССИВНОГО УСПОКОИТЕЛЯ БОРТОВОЙ КАЧКИ И ПАССИВНЫЙ УСПОКОИТЕЛЬ БОРТОВОЙ КАЧКИ СУДНА
ABATING OF SHIP ROLLING BY PASSIVE ROLL DAMPING DEVICE AND PASSIVE ROLL DAMPING DEVICE

Группа изобретений относится к области судостроения и может быть использована для умерения бортовой качки судов, обладающих относительно высокой остойчивостью (например, катамаранов) на короткопериодном волнении.
Известны способ умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя качки и пассивный успокоитель бортовой качки в виде отсеков-цистерн, размещенных симметрично по бортам судна и сообщающихся между собой посредством воздушного канала (перетока), а с забортным пространством через отверстия в днище, либо вовсе открытые со стороны днища (см. патент Канады №1096710, МПК B63B 39/03 от 1977 г.).
Одним из недостатков указанного известного успокоителя качки является наличие воздушного канала (перетока), соединяющего бортовые отсеки-цистерны, что усложняет конструкцию и может существенно затруднить рациональную компоновку внутренних помещений судна.
Известны также способ умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя бортовой качки судна, который выполнен в виде снабженных забортными отверстиями бортовых отсеков-цистерн с рабочей жидкостью (забортной водой), воздействующих на начальную остойчивость судна, и пассивный успокоитель бортовой качки, содержащий бортовые отсеки-цистерны с забортными отверстиями (см. патент Российской Федерации №2047538, МПК B63B 39/03 от 1992 г. - прототип заявляемой группы изобретений). В указанном известном успокоителе-прототипе отсеки-цистерны расположены симметрично по бортам корпуса судна в районе ватерлинии и сообщаются с забортным пространством посредством высоких вертикальных каналов, соединенных с днищевыми забортными отверстиями, а с атмосферой  посредством клапанов в верхней части каждого отсека-цистерны.
Рассмотренные выше указанные известные аналог и прототип заявленного успокоителя являются, по существу, разновидностями так  называемых пассивных успокоителей качки 2-го рода (см. книгу «Успокоители качки» А.Н. Шмырев и др., изд. «Судостроение», Л., 1972 г.) и используют принцип гравитационных успокоителей качки, заключающийся в смещении центра тяжести судна (создании кренящего (стабилизирующего) момента) в сторону борта, противоположного текущему наклонению судна.
Основным недостатком способа умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя бортовой качки и пассивного успокоителя бортовой качки, который описан в аналоге и прототипе, т.е. гравитационного, является их недостаточная эффективность для судов с относительно высокой поперечной остойчивостью, таких как катамараны, в условиях короткопериодного волнения, ввиду малой чувствительности таких судов к возникающему стабилизирующему моменту.
Кроме того, общим недостатком способа умерения бортовой качки судов посредством успокоителей качки 2-го рода (в том числе, представленных в аналоге и прототипе), является наличие отсеков-цистерн, в которых постоянно находится забортная вода, что приводит к нерациональному использованию внутренних объемов корпуса судна, увеличению его водоизмещения и осадки. Отсеки-цистерны успокоителя качки по прототипу предлагается, в случае необходимости, использовать в качестве хранилищ топлива, что частично компенсирует этот недостаток. Однако такое решение создает опасность загрязнения окружающей среды нефтепродуктами (например, при продувании сжатым воздухом в случае аварийного крена) и приводит к необходимости мойки отсеков-цистерн успокоителей качки каждый раз после их использования в качестве топливных.
Также общим недостатком указанных известных способов умерения бортовой качки и успокоителей бортовой качки является увеличение сопротивления движению судна, что ведет к снижению скорости хода либо к увеличению мощности и, соответственно, расхода топлива, это происходит вследствие наличия постоянно открытых вырезов в днище судна в сочетании с полостями значительного объема, куда свободно затекает забортная вода.
Задачей заявляемой группы изобретений является создание такого способа умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя бортовой качки, а также пассивного успокоителя бортовой качки судна, которые позволят обеспечить умерение бортовой качки судов, обладающих относительно высокой остойчивостью (например, крановых судов (КС) катамаранного типа) на короткопериодном волнении.
Эффективность КС при строительстве сооружений и инфраструктуры на морских нефтегазопромыслах прямо зависит от продолжительности времени, во время которого возможно выполнение грузоподъемных операций по гидрометеоусловиям в районе работ (т.н. «погодное окно»). Так, например, если КС способно выполнять грузоподъемные операции при волнении моря до 5-ти баллов (высота волны 3%-ной обеспеченности 3,5 м), то его «погодное окно» в Баренцевом море расширяется до 80-85% календарного времени в весенне-летний период и до 70% в осенне-зимний период. Указанное волнение характеризуется величиной среднего периода в пределах 6-8 с, то есть является короткопериодным.
Ряд конструктивных особенностей судов-катамаранов (высокая остойчивость, большая площадь грузовой палубы и др.) способствуют их использованию в качестве КС. Вместе с тем, благодаря высокой поперечной остойчивости суда-катамараны характеризуются относительно малыми значениями периодов собственных бортовых колебаний, что приводит к резонансу бортовой качки катамарана именно на короткопериодной волне. Достигаемые при этом амплитуды бортовой качки относительно невелики (порядка 3-5°), но качка является резкой, то есть характеризуется значительными величинами скоростей и ускорений при относительно малых периодах. Это приводит к недопустимо большим амплитудам перемещения груза (например, блок - модуля морской платформы), находящегося на грузовой подвеске крана, - в момент его установки на штатное место при строительстве. Кроме того, угол крена судна с учетом качки может превысить предельно допустимую величину, заданную техническими условиями для безопасной работы крана. Перечисленные проблемы существенно ограничивают применение катамаранов в качестве КС.
Техническим результатом заявляемой группы изобретений является расширение эксплуатационных возможностей судна по погодным условиям путем повышения эффективности умерения бортовой качки судна, а именно: уменьшения амплитуды и других параметров бортовой качки у судов с относительно высокой поперечной начальной остойчивостью в условиях короткопериодного волнения, а также уменьшение водоизмещения и осадки судна при оптимизации внутренних объемов его корпуса и уменьшении сопротивления на ходу судна.
Указанный технический результат достигается в способе умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя бортовой качки судна в виде снабженных забортными отверстиями и воздушными трубами бортовых отсеков-цистерн с рабочей жидкостью (забортной водой), воздействующих на начальную остойчивость судна тем, что забортные отверстия отсеков-цистерн предварительно снабжают закрытиями, а для уменьшения амплитуды бортовой качки в рабочем состоянии упомянутого успокоителя производят свободное симметричное затопление отсеков-цистерн по уровень действующей ватерлинии в заданном диапазоне рабочих (эксплуатационных) осадок судна, тем самым снижают параметры его начальной остойчивости за счет уменьшения площади и момента инерции площади действующей ватерлинии для увеличения периода собственных бортовых колебаний судна, причем в нерабочем состоянии успокоителя качки забортные отверстия отсеков-цистерн перекрывают посредством упомянутых закрытий, после чего отсеки-цистерны освобождают от рабочей жидкости (забортной воды).
Указанный технический результат достигается также в пассивном успокоителе бортовой качки судна, содержащем бортовые отсеки-цистерны с забортными отверстиями и воздушными трубами тем, что забортные отверстия отсеков-цистерн снабжены закрытиями, причем высота упомянутых отсеков-цистерн выбрана из условия их свободного затопления по уровень действующей ватерлинии в диапазоне рабочих (эксплуатационных) осадок судна, при этом упомянутые отсеки-цистерны снабжены осушительной системой.
Кроме того, указанный технический результат достигается также тем, что каждое из закрытий забортных отверстий отсеков-цистерн выполнено в виде клинкетной задвижки.
Это позволяет существенно повысить экономическую эффективность судна, что является весьма актуальным, например, при выполнении грузоподъемных операций КС катамаранного типа в условиях открытой морской акватории.
При этом достигается уменьшение водоизмещения и осадки судна, поскольку отсеки-цистерны, входящие в состав рассматриваемого успокоителя качки, не содержат рабочую жидкость (забортную воду) в нерабочем состоянии.
Кроме того, более рационально используются внутренние объемы корпуса судна за счет совмещения функций отсеков-цистерн успокоителя качки и, например, отсеков жидкого балласта для изменения посадки судна и т.п., а также уменьшается сопротивление на ходу судна вследствие того, что отверстия отсеков-цистерн закрываются, когда успокоитель качки находится в нерабочем состоянии.
На фиг.1 изображена схема расположения заявляемого пассивного успокоителя бортовой качки на судне;
на фиг.2 - сечение А-А фиг.1;
на фиг.3 - поперечное сечение бортового отсека-цистерны заявляемого успокоителя бортовой качки;
на фиг.4 - вид А фиг.3.
Заявляемый пассивный успокоитель бортовой качки судна 1 включает в себя бортовые отсеки-цистерны 2, расположенные симметрично относительно диаметральной плоскости (ДП) судна 1 и отделенные водонепроницаемыми переборками 3 от внутренних объемов корпуса судна 1. В днищевой обшивке отсеков 2 имеются отверстия 4 с кингстонными ящиками 5. Отверстия 4 снабжены закрытиями в виде клинкетных задвижек 6, открытие и закрытие которых осуществляется посредством дистанционного управления из одного поста (не показан) с помощью размещенного на судне 1 привода (не показан). Кроме того, отсеки 2 оборудованы воздушными трубами 7 и приемными трубопроводами 8 осушительной (балластной) системы судна 1.
Высота упомянутых отсеков-цистерн 2 выбрана из условия их свободного затопления по уровень действующей ватерлинии в диапазоне рабочих (эксплуатационных) осадок судна 1.
Заявляемый способ умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя бортовой качки осуществляется следующим образом.
0
Перед началом использования успокоителя судно 1 находится в состоянии с закрытыми клинкетными задвижками 6 и незаполненными бортовыми отсеками-цистернами 2 при осадке d.
p
После принятия решения об использовании успокоителя по команде с поста управления (не показан) производят открытие клинкетных задвижек 6. Для уменьшения амплитуды бортовой качки производят свободное симметричное затопление отсеков-цистерн 2 рабочей жидкостью (забортной водой) по уровень действующей ватерлинии в заданном диапазоне рабочих (эксплуатационных) осадок судна 1. При этом забортная вода через днищевые отверстия 4, кингстонные ящики 5 и открытые клинкетные задвижки 6 попадает в бортовой отсек-цистерну 2. Вытесняя воздух через воздушные трубы 7, вода самотеком заполняет все отсеки-цистерны 2 до тех пор, пока ее уровень не сравняется с уровнем действующей ватерлинии судна 1. По мере заполнения отсеков-цистерн 2 осадка увеличивается до величины d, соответствующей так  называемому равновесному положению судна 1 с бортовыми отсеками-цистернами 2, заполненными по уровень действующей ватерлинии. Равномерность заполнения всех отсеков-цистерн 2 достигается одновременностью открытия клинкетных задвижек 6, для чего предусматривается их дистанционное автоматическое управление посредством привода (не показан).
По заполнении отсеков-цистерн 2 до уровня действующей ватерлинии процесс перевода пассивного успокоителя бортовой качки в рабочее состояние завершается. В этом состоянии отсеки-цистерны 2, свободно сообщающиеся с забортным пространством через днищевые отверстия 4 и открытые клинкетные задвижки 6, а также с атмосферой через воздушные трубы 7, представляют собой искусственно созданные так называемые затопленные отсеки 3-й категории (см., например, Справочник по теории корабля под ред. Я.И. Войткунского т.2, Л., «Судостроение», 1985 г.).
Согласно теории непотопляемости наличие таких отсеков создает эффект потери площади ватерлинии и, соответственно, момента инерции площади ватерлинии.
Существенное влияние на бортовую качку судна оказывает его поперечная остойчивость, которая характеризуется величиной метацентрической высоты:
<mrow><mi>h</mi><mo>=</mo><mi>r</mi><mo>+</mo><msub><mi>z</mi><mi>c</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mi>g</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>м</mi><mtext>                    </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где r - поперечный метацентрический радиус судна, м;
c
z - возвышение центра величины судна над основной плоскостью, м;
g
z - возвышение центра тяжести судна над основной плоскостью.
c
g
В рассматриваемом случае принимается допущение, что аппликаты центра величины z и центра тяжести z мало влияют на метацентрическую высоту.
Изменение величины h производится только за счет уменьшения поперечного метацентрического радиуса:
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mi>V</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>;</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
x
4
где: I - момент инерции площади ватерлинии, м;
3
V - объемное водоизмещение судна, м.
Определение параметров остойчивости судна 1 с заполненными отсеками-цистернами 2 может быть выполнено по способу постоянного водоизмещения, который широко используется при расчетах непотопляемости.
После симметричного (относительно ДП) заполнения каждого из отсеков-цистерн, входящих в успокоитель качки, момент инерции площади действующей ватерлинии уменьшится на величину:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>x</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>i</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><mi>s</mi><msubsup><mi>y</mi><mi>s</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>,</mo><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>4</mn></msup><mo>;</mo><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
x
4
где: i - собственный момент инерции свободной поверхности воды в заполненном отсеке-цистерне, м;
2
s - площадь заполненного отсека-цистерны, м;
s
y - отстояние центра площади заполненного отсека-цистерны от диаметральной плоскости судна, м.
s
Из формулы (3) вытекает, что эффективность уменьшения момента инерции площади действующей ватерлинии определяется величиной y (см. фиг.1) в квадрате, которая для судна катамарана значительно больше, чем у обычного судна, что позволяет при прочих равных условиях оптимизировать размеры отсеков-цистерн успокоителей.
Уменьшение поперечной метацентрической высоты, соответствующее изменению величины момента инерции площади ватерлинии, может быть вычислено по следующей формуле:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>h</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>ν</mi><mi>V</mi></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>d</mi><mi>o</mi></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>d</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mi>ν</mi></msub><mo>−</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mi>ν</mi></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>м</mi><mo>;</mo><mtext>           </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
o
где: d - осадка судна до заполнения отсеков-цистерн, м;
p
o
Δd=d-d - увеличение осадки судна после заполнения отсеков-цистерн, м;
v
z - возвышение центра объема заполненных отсеков-цистерн над основной плоскостью, м;
3
ν - объем заполненных отсеков-цистерн по действующую ватерлинию, м.
Таким образом, величина поперечной метацентрической высоты после заполнения отсеков-цистерн уменьшается, что приводит к увеличению периода собственных бортовых колебаний судна на волнении и, соответственно, уменьшает амплитуду бортовой качки.
Уменьшение амплитуды бортовой качки КС в рабочем состоянии ведет к снижению величин скоростей, ускорений и, соответственно, перемещений, например, нока стрелы крана с грузовой подвеской (не показаны), что обеспечивает безударную установку груза при работе судна на волнении в условиях открытой морской акватории.
Для приведения успокоителя в нерабочее состояние забортные отверстия 4 перекрывают путем закрытия дистанционно управляемых клинкетных задвижек 6, после чего отсеки-цистерны 2 освобождают от рабочей жидкости (забортной воды) откачкой ее из отсеков-цистерн 2 за борт через трубопроводы осушительной (балластной) системы 8.
Высота отсека-цистерны должна позволять его свободное заполнение по уровень действующей ватерлинии во всем диапазоне эксплуатационных осадок, где планируется применение заявляемых способа и устройства.
Благодаря конструктивным особенностям судна-катамарана, при оборудовании его заявляемым успокоителем качки, заведомо обеспечиваются регламентированные показатели остойчивости для того состояния судна, при котором используется заявляемое устройство.
Заявляемый способ умерения бортовой качки судна посредством пассивного успокоителя бортовой качки, основанный на увеличении периода собственных бортовых колебаний судна путем непосредственного влияния на его начальную остойчивость вследствие изменения параметров формы ватерлинии (площади и момента инерции) после заполнения бортовых отсеков-цистерн, входящих в состав успокоителя и сообщающихся с забортной водой и атмосферой, обеспечивает существенное расширение эксплуатационных возможностей судна по погодным условиям путем повышения эффективности умерения бортовой качки судна, а именно: уменьшения амплитуды, а также других параметров бортовой качки у судов с относительно высокой поперечной начальной остойчивостью в условиях короткопериодного волнения, а более конкретно судов-катамаранов.
Это позволяет существенно повысить экономическую эффективность судна, что является весьма актуальным, например, при выполнении грузоподъемных операций крановым судном (КС) катамаранного типа в условиях волнения на открытой морской акватории.