СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУДНА НА ПОГРУЖЕННЫХ ОПОРАХ
METHOD FOR APPLICATION OF VESSEL ON SUBMERGED SUPPORTS

Изобретение относится к судостроению и касается способа использования многокорпусных судов на погруженных опорах. Такие суда состоят из надводного корпуса, опирающегося через стержневые или трубные стойки по крайней мере на одну пару опор в виде двух водоизмещающих корпусов, погруженных в воду и имеющих обтекаемую удлиненную форму.
Так, известно судно на подводных крыльях по патенту РФ №2046050. Судно при наборе скорости развивает подъемную силу, выходит из воды, оставляя под водой погруженные опоры с подводными крыльями. Однако на волне в обоих положениях судно подвержено существенному силовому воздействию волн.
Известно также полуподводное судно по патенту РФ №2088462. Надводный корпус судна опирается через стойки на сдвоенный подводный корпус, располагаемый под поверхностью воды. Судно на волне подвержено существенным нагрузкам.
Известен волноход по патенту РФ №2089433, имеющий надводный корпус и поплавковые корпуса со сложным механизмом поддержания на волне горизонтального положения надводной части.
Известно также морское судно по патенту РФ №2124451, имеющее надводный корпус, поддерживаемый при движении аэродинамическими силами, и три подводных стабилизатора движения. Судно невозможно использовать на волне из-за неравномерности аэродинамических сил.
Известно судно с разделенным корпусом по патенту РФ №2152328. Судно имеет надводный корпус, опирающийся на два погруженных корпуса с помощью стоек, закрепленных с возможностью изменения высоты судна. Такое судно на волне будет подвержено существенным нагрузкам.
Известно также многокорпусное полупогруженное судно по патенту РФ №2287448. Надводный корпус судна опирается через множество вертикальных стоек на систему модулей, каждый из которых состоит из пары полностью погруженных обтекаемых удлиненных корпусов. Указанное судно и способ его использования приняты за прототип предлагаемого.
Большим недостатком судов на погруженных опорах является их плохая остойчивость. Расположение грузовой части высоко над водой создает опасность опрокидывания судна. Недостатком данного судна является установка погруженных опор вблизи поверхности воды, подверженной волнению. На волнах резко уменьшается площадь опор, нерегулярные силы давления воды вызывают качку судна и угрозу потери остойчивости. По этой причине суда такого типа не могут использоваться в большинстве морских бассейнов. Кроме того, качка вызывает повышенное нагружение отдельных стоек и опор. В результате последнего конструкция судна должна быть перетяжелена.
Целями изобретения являются повышение остойчивости судна при любых, даже предельных размерах волн, а также повышение мореходных свойств: умеренность качки, ходкость, управляемость судна; конструкторских и технологических свойств: облегчение и упрощение конструкции судна, поэлементное изготовление и стапельная сборка.
Поставленные цели по заявленному способу достигаются для судна на погруженных опорах, имеющего надводный корпус, установленный с помощью стержневых или трубных стоек по крайней мере на одной паре наполненных газом обтекаемых погруженных опор, которое используют на глубокой воде в дрейфе, на буксире или на своем ходу, под неполным или полным грузом, на тихой воде или при волнении воды.
Сущность изобретения состоит в том, что на тихой воде опоры устанавливают под поверхностью воды, на судне под неполным грузом опоры частично заполняют балластом, - под полным грузом опоры не заполняют, а при волнении воды судно нагружают балластом так, чтобы погруженные опоры по верху опустились в воду на глубину не менее двух значений предельной высоты волны, установленной для зоны плавания судна.
Кроме того, предлагается заполняющий погруженные опоры газ поддерживать при избыточном давлении по отношению к гидростатическому.
Предложенный способ применяют при нахождении судна на глубокой воде, то есть когда влияния дна водоема можно не учитывать. Как показывают исследования, на глубокой воде установившееся волновое движение затухает на глубине, равной половине длины волны, см. книгу Л.М.Милн-Томсона «Теоретическая гидродинамика», изд-во «Мир», Москва, 1964, стр.375. «Подводная лодка, расположенная на глубине, равной половине длины волны, почти не будет воспринимать движение воды, обусловленное поверхностными волнами» (там же). Таким образом, при длине волны 60 м погруженные опоры на глубине 30 м будут находиться в неподвижной воде. Для этого достаточно догрузить судно балластом - забортной водой, чтобы уравновесить вес воды, равный объему опускаемых под воду стоек. Поскольку суммарное сечение стоек и цистерн для балласта относительно невелико, дополнительный груз балласта незначительно изменяет характеристики судна. Устойчивость судна на волне при заглубленных опорах будет обеспечиваться за счет малого сопротивления стоек воде, а устойчивость судна по высоте обеспечивается восстанавливающим действием гидростатических сил на затопляемую высоту всех стоек и дополнительных цистерн. После затопления погруженных опор между водой и днищем надводного корпуса оставляют пространство для свободного прохождения гребней волн. Поскольку высота волн намного меньше их длины, высота надводной части стоек составляет небольшую долю от их полной высоты. При нахождении на тихой воде погруженные опоры могут быть заглублены до уровня неподвижной воды при расчетной длине волны ожидаемого волнения. В этом случае действия предлагаемого способа выполняют заранее. Для судна под неполным грузом на тихой воде принятие балласта может быть отложено до появления волны. Это не изменяет существа предложенного способа. Для акваторий с ограниченными параметрами волнения суда могут иметь меньшую высоту стоек и общую высоту.
Однако для океанических трасс предельные размеры волн весьма значительны: по высоте - 11 м, по длине - 270 м. Однако средние значения размеров волн, которые действуют на трассе, составляют по высоте волн 4-6 м, по длине волн - 70-120 м. При этом обычные грузовые океанические суда по длине значительно превышают среднюю волну и, идя под углом к волне, испытывают бортовую качку. Таких же размеров судно на погруженных и заглубленных опорах будет испытывать значительно меньшее воздействие волнения. Этому способствуют меньшие высота и давление подводной волны, меньшее сечение опор, встречающих волну, устранение неравномерности гидростатических сил, значительный демпфирующий эффект воды, окружающей опоры. Все указанные факторы существенно полезны для динамики судна на погруженных опорах, хотя точный учет их пока затруднителен. При усилении волнения сохраняется возможность уменьшить его воздействие на судно за счет уменьшения угла встречи волны. Во время наибольшего шторма судно необходимо поставить против волны. При этом благодаря большой длине опор угол килевой качки может быть удержан в минимальных пределах - 3-6 гр.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение остойчивости судна. Известные суда на погруженных опорах из-за большой высоты и верхнего расположения надводного корпуса и груза имеют на волне плохую остойчивость. Этот недостаток устраняется при использовании предлагаемого способа. Таким образом, становятся доступными многие преимущества судов на погруженных опорах: простота конструкции судна и всех его частей, ненужность сложнейших верфей, сокращение затрат и сроков строительства судов за счет упрощения и параллельного изготовления его частей. Другим полезным результатом изобретения является возможность существенно облегчить конструкцию судна за счет сокращения динамического нагружения его силовых элементов под действием волн и качки всего судна. Дополнительное облегчение погруженных опор достигается за счет разгрузки их оболочек внутренним давлением, превышающим гидростатическое. Весьма ценным результатом изобретения является повышение мореходности судна. Благодаря обтекаемости водоизмещающих опор, уменьшению их сечения и смачиваемой поверхности уменьшается гидросопротивление судна и повышается его ходкость. На тихой воде судно может иметь очень малую осадку. Надводный корпус судна никогда не заливается водой. Малое гидросопротивление опор и установка на них двух разнесенных движителей обеспечивают судну высокую управляемость.
Сущность изобретения поясняется на примерах.
Пример 1. Судно водоизмещением с полным грузом 6000 т состоит из надводного корпуса и двух погруженных опор, соединенных с корпусом трубными стойками. Каждая опора водоизмещением 3000 т выполнена в виде трубы с внутренним диаметром 5 м и длиной 150 м. Опоры соединены между собой связями. Стойки расположены равномерно по длине опор, образуя фермы с пролетом по высоте 30 м. Под надводным корпусом закреплены цистерны для балласта. При среднем волнении воды с высотой волны 6 м и длиной 120 м судно догружают балластом, и оно опускается в воду до уровня цистерн. На уровне опор высота подводных волн составляет 3 м. При проходе боковой волны угол боковой качки без учета демпфирования составит около 6 гр. При проходе волны под углом 45 гр. угол бортовой качки составит 4,5 гр. При проходе прямой волны угол килевой качки составит меньше 2 гр.
При шторме 9 баллов судно разворачивают против волн высотой 11 м и длиной 270 м, а опоры размещают на глубине около 20 м. Высота подводной волны составит 9 м, и угол килевой качки - 7,5 гр. Скорость прохождения штормовой волны составляет 20 м/с, поэтому вода демпфирует перемещение опор и смягчает качку.
Пример 2. Среднетоннажное судно полным водоизмещением 60 тыс.т состоит из надводного корпуса и двух пар погруженных опор, соединенных с корпусом трубными стойками. Каждая опора водоизмещением 30 тыс.т выполнена в виде трубы с внутренним диаметром 15 м и длиной 85 м. Соосные опоры установлены на длине 230 м и соединены со своими парами связями. Стойки расположены равномерно по длине опор, образуя фермы с пролетом по высоте 40 м.
При среднем волнении воды судно догружают балластом, и оно опускается в воду до уровня цистерн. На уровне опор высота подводных волн составляет 2 м. При проходе боковой волны угол боковой качки без учета демпфирования составит около 3 гр. При проходе прямой волны или волны под углом 45 гр. качка судна будет отсутствовать, так как судно постоянно опирается на гребни двух волн.
При шторме 9 баллов опоры судна размещают на глубине около 36 м. Высота подводной волны составит 9 м, и угол килевой качки - 7,5 гр. Вода лучше демпфирует раздвинутые по длине судна опоры, и это больше смягчает качку.
Пример 3. Судно полным водоизмещением 230 тыс.т состоит из надводного корпуса и двух погруженных опор, соединенных с корпусом трубными стойками. Каждая опора водоизмещением 115 тыс.т выполнена в виде цилиндрического корпуса с внутренним диаметром 25 м и длиной 230 м. Стойки расположены равномерно по длине опор, образуя фермы с пролетом по высоте 40 м. Под надводным корпусом закреплены цистерны для балласта. При среднем волнении воды с высотой волны 6 м и длиной 120 м судно догружают балластом, и оно опускается в воду до уровня цистерн. На уровне опор высота подводных волн составляет 1,4 м. При проходе боковой волны угол боковой качки без учета демпфирования составит около 2 гр. При проходе прямой волны или волны под углом 45 гр. качка судна будет отсутствовать, так как судно постоянно опирается на гребни двух волн.
При шторме 9 баллов опоры размещают на глубине около 40 м. Высота подводной волны составит 7,7 м, и угол килевой качки - 6,5 гр. Судно с тяжелый грузом меньше воспринимает динамическое воздействие волн, а большие корпуса опор лучше демпфируют действие волн.
При всех описанных ситуациях углы качки невелики и не угрожают ни одному судну потерей устойчивости. При учете эффективности демпфирования качки в каждом случае ее воздействие будет еще меньше.
Предложенный способ может быть применен для судов различных назначений, в том числе для грузовых - сухогрузов, контейнеровозов, танкеров и газовозов, пассажирских - лайнеров, паромов, прогулочных яхт, исследовательских, промысловых - рыболовецких, шельфовых и ряда других.