НОСОВАЯ ОКОНЕЧНОСТЬ КОРПУСА СУДНА
BOW END OF THE SHIP'S HULL

Изобретение относится к области судостроения, в частности к способам и средствам, позволяющим снизить повреждаемость корпуса судна и удлинить срок эксплуатации судна до ремонта.
Известно судно с системой подачи воздуха на его днище (SU 1273292, МПК В63В 1/38, B60V 3/06, опубл. 30.11.1986 г.), которая включает расположенные поперечными рядами на днище и наклоненные под положительным углом атаки к набегающему потоку воды выступы с размещенными непосредственно за ними отверстиями, которые через выполненные в корпусе судна каналы сообщены с атмосферой, при этом с целью уменьшения сопротивления перемещению путем увеличения количества подаваемого на днище судна воздуха, выступы расположены в шахматном порядке, и каждая пара выступов предыдущего ряда образует перед выступом последующего ряда сужающийся канал.
К недостаткам данной системы можно отнести то, что она не позволяет осуществлять подачу воздуха к носовой оконечности судна при ее обтекании потоком воды при зарывании в волну, в результате чего данная система не может использоваться для предотвращения кавитационных повреждений носовых оконечностей судов больших размерений.
Известно устройство для генерации и распределения сжатого воздуха для снижения сопротивления (US 8327784, МПК В63В 1/34, В63В 1/38, опубл. 11.12.2012 г.), включающее минимум одно входное отверстие для воды, первый и второй воздушные инжекторы, минимум одну нисходящую трубу, камеру, устройство регулировки давления, резервуар для сжатого воздуха с входным клапаном, причем второй воздушный инжектор расположен значительно ниже первого инжектора. Поток воды, создаваемый движением судна, попадает в первый воздушный инжектор и создает разрежение, которое втягивает воздух в поток воды, за счет чего создается множество пузырьков в первом потоке воды. Двигаясь по нисходящей трубе, поток попадает в камеру, где разделяется на воздух и воду, под давлением воды воздух попадает через входной клапан в резервуар для сжатого воздуха, откуда через второй воздушный инжектор попадает во второй поток воды.
Данное устройство обладает тем недостатком, что не позволяет подавать большие объемы сжатого воздуха за малый промежуток времени к носовой оконечности судна при ее зарывании в волну, обтекании потоком жидкости и возникновении разряжения, при котором возможно возникновение кавитации в районе носовой оконечности. Падение давления при обтекании носовой оконечности судна потоком жидкости иллюстрируется на фиг. 6.
Известна система воздушной смазки с волновым отражателем для судна (US 10759498, МПК В63В 1/38, опубл. 01.09.2020 г.), создающая воздушный смазывающий слой между корпусом судна и потоком воды под днищем судна при его движении, включающая воздушные полости, образованные стенками, лицевой стенкой с выходным отверстием, отверстие для подачи воздуха, отделенное от выходного отверстия, а также волновой отражатель.
Недостатком данной системы является невозможность ее использования для предотвращения кавитации и сопутствующих повреждений в районе носовой оконечности судна при ее обтекании потоком жидкости при зарывании в волну, так как конструкция воздушных полостей не позволяет осуществлять подачу воздуха на внешнюю сторону обшивки судна в соответствующий район корпуса в тот момент, когда там возникает разряжение, которое может привести к возникновению кавитации.
В качестве ближайшего аналога принята система воздушной смазки и судно с такой системой (WO 2015133900, МПК В63В 1/38, опубл. 11.09.2015 г.), при этом судно с плоским дном имеет несколько устройств для воздушной смазки, каждое из которых представляет собой полость, ограниченную стенками, с отверстием в лицевой стенке, установленной перпендикулярно боковым стенкам, содержит вход для воздуха, отделенный от отверстия в полости, а воздух в полость подается при помощи компрессора.
Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что использование такой системы не позволяет предотвратить возникновения кавитации и захлопывание кавитационной полости при обтекании носовой оконечности корпуса судна при ее зарывании в волну. В результате этого возможны повреждения носовой оконечности под действием гидродинамических нагрузок при захлопывании кавитационных полостей. При использовании устройств для воздушной смазки такой конструкции воздух будет постоянно выходить из них, независимо от того, существует ли опасность возникновения кавитации, что делает затруднительной подачу больших объемов сжатого воздуха в конкретный район корпуса в тот момент, когда там возникает разряжение заданной величины.
Изобретение решает задачу снижения повреждаемости носовой оконечности судна в условиях зарывания в волну за счет создания условий для предотвращения захлопывания кавитационных полостей, образующихся при обтекании носовой оконечности, и предотвращения возникающих ударных гидродинамических нагрузок.
Для получения необходимого технического результата в носовой оконечности корпуса судна, характеризующейся использованием сжатого воздуха, подаваемого из компрессора, с подводом сжатого воздуха к внешней части наружной обшивки корпуса судна в подводной его части, предлагается область носовой оконечности корпуса судна с внутренней стороны оснастить воздуховодами, а с внешней стороны обшивки корпуса судна над воздуховодами установить клапаны, количество которых предлагается рассчитать с учетом необходимого количества воздуха, которое надо подать из воздуховода, давления воздуха в воздуховоде, пропускной способности клапана. Открытие клапанов для связи с воздуховодом предлагается настроить на заданную величину падения давления с внешней стороны наружной обшивки корпуса судна.
В случае реализации предлагаемого способа при зарывании носовой оконечности в волну и ее обтекании потоком жидкости при возникновении зоны пониженного давлений с заданными параметрами в конкретном районе носовой оконечности происходит открытие клапанов в этом районе и осуществляется подача сжатого воздуха, в результате чего предотвращается развитие и захлопывание кавитационной полости, за счет чего устраняется возможность повреждения корпусных конструкций гидродинамическими нагрузками высокой интенсивности.
На прилагаемых графических материалах изображено: на фиг. 1 - общий вид носовой оконечности корпуса судна при реализации предлагаемого способа снижения повреждаемости носовой оконечности корпуса судна; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид Б на фиг. 1;
на фиг. 4 - разрез В-В на фиг. 2;
на фиг. 5 - моделирование процесса обтекания носовой оконечности корпуса судна потоком жидкости;
на фиг. 6 - изменение давления при обтекании носовой оконечности судна потоком жидкости;
на фиг. 7 - графические зависимости для определения необходимого количества клапанов на единицу площади носовой оконечности.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - оконечность носовая корпуса судна;
2 - профиль коробчатый воздуховода;
3 - клапан;
4 - компрессор;
5 - ресивер;
6 - трубопровод;
7 - корпус клапана;
8 - тарелка клапана;
9 - пружина;
10 - обшивка наружная корпуса судна;
∞
p - давление жидкости в невозмущенном потоке, Па;
р - давление жидкости при обтекании носовой оконечности корпуса судна, Па;
- относительное значение давления жидкости при обтекании носовой оконечности корпуса судна:
Н - высота борта судна, м;
z - координата, отсчитываемая от основной плоскости судна, м;
- относительное значение координаты, отсчитываемой от основной плоскости судна;
кл
2
F - площадь тарелки клапана, м;
Δ - предварительное натяжение пружины, м;
-2
n - число клапанов на единицу площади носовой оконечности, м.
Для реализации предлагаемого способа снижения повреждаемости носовой оконечности корпуса судна используется компрессор 4, ресивер 5 для сжатого воздуха и трубопроводы 6, соединяющие ресивер 5 с коробчатым профилем 2 воздуховода, установленным с внутренней стороны наружной обшивки 10 корпуса судна в области носовой оконечности 1 корпуса судна. В наружной обшивке 10 корпуса судна над коробчатым профилем 2 воздуховода установлены клапаны 3. при этом каждый клапан 3 состоит из корпуса 7 клапана, тарелки 8 клапана и пружины 9.
Способ снижения повреждаемости носовой оконечности корпуса судна осуществляется следующим образом.
При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности 1 корпуса судна, что ведет к появлению сложного режима обтекания носовой оконечности. Анализ динамики судна в таких условиях с использованием математической модели [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. - СПб.: Лань, 2020. - С. 230-236.] и оценка величины числа кавитации к показывает, что при возникающих результирующих скоростях обтекания носовой оконечности возможно возникновение кавитации. В рассматриваемом случае число кавитации к можно определить из выражения:
атм
где р - атмосферное давление, Па;
нас
р - давление насыщенных паров воды при заданной температуре, Па;
h - глубина погружения соответствующей точки носовой оконечности, м;
3
ρ - плотность воды, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
υ - результирующая скорость обтекания носовой оконечности в условиях ее зарывания в волну на развитом встречном волнении, м/с.
При этом в ходе захлопывания кавитационной полости носовая оконечность 1 корпуса судна подвергается значительным гидродинамическим воздействиям. В результате этого могут возникать повреждения носовой оконечности судов, причем опасность возрастает с увеличением их длины.
Па фиг. 5 представлена носовая оконечность 1 корпуса судна при ее обтекании потоком жидкости, при этом моделирование осуществлялось с использованием технологии SPH согласно [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Опыт использования технологии SPH для определения внешних сил, действующих на носовую оконечность судна в условиях ее захвата волной. БАЛТИЙСКИЙ МОРСКОЙ ФОРУМ: материалы VIII Международного Балтийского морского форума 5-10 октября 2020 года [Электронный ресурс]: в 6 томах. Т. 2. «Морская техника и технологии. Безопасность морской индустрии», VIII Международная научная конференция. Электрон, дан. Калининград: Изд-во БГАРФ ФГБОУ ВО «КГТУ», 2020. С. 43-48.]. Результаты моделирования приведены на фиг. 6, где показано изменение давления  по высоте бортового перекрытия в районе носовой оконечности. Координата z отсчитывается от основной плоскости судна в направлении палубы, т.е.  соответствует палубе судна. Как видно из рисунка, при обтекании носовой оконечности 1 корпуса судна потоком жидкости при ее зарывании в волну могут возникать зоны с резким падением давления, причем с увеличением скорости обтекания возникает опасность кавитационных повреждений носовой оконечности корпуса судна 1. Представленные результаты получены при скорости обтекания, соответствующей υ=15 м/с для натурного судна. В реальных условиях эксплуатации результирующая скорость обтекания носовой оконечности при ее зарывании в волну может быть существенно выше, для ее оценки можно воспользоваться методикой, изложенной в [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. СПб.: Лань, 2020. - С. 230-236.].
При реализации предлагаемого способа в случае возникновения разряжения с внешней стороны наружной обшивки 10 корпуса судна под действием давления сжатого воздуха в коробчатом профиле 2 происходит перемещение тарелок 8 клапанов во внешнюю сторону корпуса судна с преодолением усилия пружин 9 и открытие клапанов 3, благодаря чему сжатый воздух начинает поступать на внешнюю сторону наружной обшивки 10 корпуса судна. Это позволяет предотвратить захлопывание кавитационной полости на внешней стороне наружной обшивки 10 корпуса судна и избежать ударных гидродинамических воздействий на обшивку 10.
В результате подачи сжатого воздуха между корпусом судна и водной средой создается воздушная прослойка, которая предотвращает ударные гидродинамические воздействия на корпус судна, имеющие место при захлопывании кавитационных полостей.
При этом жесткость K (Н/м) пружины 9 должна определяться из условия:
0
где р - давление сжатого воздуха в коробчатом профиле 2, Па;
нас
р - давление насыщенных паров воды при заданной температуре, Па;
кл
2
F - площадь тарелки 8 клапана, м;
Δ - предварительное натяжение пружины 9, м;
з
К - коэффициент запаса.
Согласно [Рекомендации по учету кавитации при проектировании водосбросных гидротехнических сооружений. П 38-75 / ВНИИГ; М-во энергетики и электрификации СССР. Л., 1976. - 128 с.] подача 4-7% воздуха (относительно условного расхода жидкости) в зону разряжения полностью снимает кавитационные повреждения. В статье [Коробкин А.А. Плоская задача об ударе вертикальной стенкой по слою частично аэрированной жидкости // Прикладная механика и теоретическая физика. - 2006. - Т. 47, №5. - С. 34-46.) показано, что повышение объемной доли воздуха в прослойке жидкости сверх величины α=7% практически не приводит к уменьшению гидродинамических нагрузок на твердое тело со стороны жидкости.
Поэтому можно принять, что достаточным является содержание воздуха в аэрированном слое α=0,07.
В процессе обтекания носовой оконечности судна давление окружающей ее жидкости будет непрерывно изменяться, поэтому для оценки объема газа целесообразно воспользоваться величиной гидростатического давления жидкости при полном погружении носовой оконечности в воду. При таком условии будет обеспечена минимально необходимая объемная доля воздуха α=0,07 в областях с высоким давлением, а в зонах разряжения объемная доля воздуха α будет выше. В этом случае с использованием уравнения Менделеева-Клапейрона можно записать
в
3
где ρ - плотность воды, кг/м;
2
g = 9,81 м/с - ускорение свободного падения;
H - высота борта судна, м;
υ - скорость обтекания носовой оконечности при ее зарывании в волну, м/с;
t - время, с:
2
S - площадь участка носовой оконечности, м;
α - объемная доля воздуха в аэрированном слое;
m - масса воздуха, кг;
- молярная масса воздуха:
- универсальная газовая постоянная;
Т - температура воздуха, К.
После преобразования (3) можно определить требуемый массовый расход воздуха в единицу времени
m
В соответствии с [Лепешкин А.В., Михайлин А.А. Гидравлические и пневматические системы: Учебник для сред. проф. образования / Под ред. Ю.А. Беленкова. - M.: Издательский центр «Академия», 2004. - 336 с.] массовый расход воздуха при истекании из одного клапана 3 Q определяется зависимостью
где μ - коэффициент расхода;
др
2
S - площадь проходного сечения, м;
0
3
ρ - плотность воздуха в коробчатом профиле 2, кг/м;
0
р - давление воздуха в коробчатом профиле 2, Па;
2
р - давление воздуха снаружи корпуса. Па.
др
Для представленной на фиг. 4 формы клапанов 3 коэффициент μ может быть принят равным 0,85 согласно [Лепешкин А.В., Михайлин А.А. Гидравлические и пневматические системы: Учебник для сред. проф. образования / Под ред. Ю.А. Беленкова. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 336 с.], а площадь проходного сечения S определить из условия:
где π - 3,14;
х - величина подъема клапана 3, м;
d - диаметр клапана 3, м.
др
нас
з
нас
Площадь проходного сечения S будет являться переменной величиной по мере перемещения тарелки 8 клапана, при этом процесс будет нестационарным вследствие постоянного изменения давления с внешней стороны наружной обшивки корпуса судна. Для принятой выше жесткости пружины 9 и ее предварительного натяжения поднятие тарелки 8 клапана будет начинаться при давлении р⋅K, а максимальный подъем тарелки 8 клапана будет в случае падения давления с наружной стороны до величины р, в этом случае
Для оценки расхода воздуха можно в первом приближении принять перемещение тарелки клапана 8 равным средней величине подъема х/2.
Плотность воздуха в коробчатом профиле 2 воздуховода определяется известным соотношением, следующим из закона Менделеева-Клапейрона:
Давление воздуха в коробчатом профиле 2 воздуховода должно выбираться из условия обеспечения подачи необходимого количества воздуха на внешнюю часть наружной обшивки в зависимости от числа клапанов 3 на единицу площади носовой оконечности 1 корпуса судна и их пропускной способности. Обозначая число клапанов 3 на единицу площади носовой оконечности 1 корпуса судна через n, с учетом (5) можем записать для требуемой из условия предотвращения кавитационных повреждений величины расхода воздуха:
С учетом (4), (6), (7) и (8) представляется возможным найти связь между количеством клапанов 3 на единицу площади носовой оконечности 1 корпуса судна, площадью тарелки 8 клапана, давлением воздуха в профиле 2 коробчатом воздуховода и другими параметрами:
В случае обеспечения подачи требуемого количества воздуха можно существенно снизить величину ударных гидродинамических нагрузок на носовую оконечность 1 корпуса судна. Согласно [Коробкин А.А. Плоская задача об ударе вертикальной стенкой по слою частично аэрированной жидкости // Прикладная механика и теоретическая физика. - 2006. Т. 47, №5. - С. 34-46.], при насыщении слоя жидкости воздухом величина ударных гидродинамических нагрузок снижается в 3 и более раз в зависимости от толщины аэрированного слоя.
нас
в
0
кл
з
3
5
2
Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа снижения повреждаемости носовой оконечности корпуса судна. Расчет выполним для судна длиной L=214 м, имеющего высоту надводного борта в носу H=15 м. Пусть температура воды равна T=283,15 K, давление насыщенных паров воды при этой температуре р=1230 Па, плотность воды ρ=1025 кг/м. Давление воздуха в коробчатом профиле 2 примем равным p=5⋅10 Па, площадь тарелки 8 клапана F=0,0025 м, предварительное натяжение пружины 9 Δ=0,1 м, коэффициент запаса K=5. Т.к. в качестве подаваемого газа используется воздух, то М=0,029 кг/моль. В соответствии с изложенными выше соображениями, для представленного на фиг. 4 клапана 3 можно принять μ=0,85, а объемную долю воздуха в аэрированном слое α=0,07.
Моделирование динамики рассматриваемого судна на волнении в условиях зарываемости носовой оконечности в волну согласно [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. - СПб.: Лань, 2020. - С. 230-236.] показывает, что результирующая скорость обтекания носовой оконечности достигает значения υ=15 м/с.
С использованием формулы (10) можно определить необходимое число клапанов 3 на единицу площади n:
т.е. на каждом квадратном метре обшивки носовой оконечности 1 корпуса судна необходимо установить по 10 клапанов 3 (в случае использования принятых выше характеристик).
На фиг. 7 представлены графические зависимости, позволяющие выбирать необходимое количество клапанов 3 на единицу площади носовой оконечности 1 корпуса судна в зависимости от площади тарелки 8 клапана и предварительного натяжения пружины 9. Данные графики позволяют выбрать оптимальные характеристики клапанов 3 в зависимости от конструктивных особенностей конкретной носовой оконечности 1 корпуса судна.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет снизить повреждаемость корпусных конструкций в носовой оконечности благодаря исключению захлопывания кавитационных полостей в районе носовой оконечности при ее зарывании в волну на развитом встречном волнении, что удлиняет срок эксплуатации судна до ремонта.