УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕРЕНИЯ БОРТОВОЙ КАЧКИ МОРСКИХ СУДОВ С БОЛЬШОЙ ПОПЕРЕЧНОЙ ОСТОЙЧИВОСТЬЮ
DEVICE FOR MODERATION OF SEACRAFT ROLLING WITH HIGH TRANSVERSE STABILITY

Изобретение относится к пассивным средствам умерения бортовой качки судов с большим отношением ширины к осадке, которые имеют большую поперечную остойчивость и резкую бортовую качку. Оно рекомендуется для плавучих кранов и крановых судов, транспортных доков, плавучих маяков, казарм, ресторанов и других морских объектов, для которых основной режим эксплуатации - функционирование без хода. Оно может быть применено и на судах река-море, имеющих малую осадку и большую ширину.
Особенность плавучих кранов и крановых судов в том, что они имеют тяжелое крановое оборудование на верхней палубе и центр масс, расположенный значительно выше ватерлинии. Для уменьшения крена во время перегрузочных операций у этих судов приходится существенно увеличивать поперечную остойчивость за счет момента остойчивости формы.
где g - ускорение свободного падения;
3
ρ - плотность воды, т/м;
- метацентрический радиус;
3
V=δLBT - объемное водоизмещение, м;
δ - коэффициент общей полноты, лежащий у крановых судов в диапазоне 0,8-0,9;
L, В и Т - длина, ширина и осадка судна, м;
α - коэффициент полноты ватерлинии;
xs
I - момент инерции площади ватерлинии
;
- коэффициент вертикальной полноты корпуса, лежащий у судов этого типа в интервале 0,85-0,95.
с
g
Поскольку у судов этого типа аппликата центра величины y≈0,55Т, а центра масс y≈(1,1-1,2)T, то положительное значение поперечной метацентрической высоты
может быть достигнуто только
.
Потребное значение h у крановых судов может быть определено из ограничения угла крена при перегрузочной операции
где Θ - ограничение угла крена, рад (обычно );
гр
m - предельная масса переносимого груза;
гр
гр
в
в
l - плечо переноса груза относительно диаметральной плоскости крана; его значение может быть принято в пределах l=ε·В, где ε≈(1,1-1,2) - коэффициент, учитывающий вынос груза за пределы полуширины кранового судна с поправкой на швартовку и полуширину принимающего груз судна.
Удовлетворение условий (3) у КС приводит к значению h более 4-5 м против 1-1,2 м у обычных судов и кораблей того же водоизмещения. Но из-за большой метацентрической высоты крановые суда, плавучие краны и другие указанные выше суда с отношением ширины к осадке более 4-5 имеют очень резкую бортовую качку, даже на небольшом волнении. Поэтому умерение их качки - актуальная задача.
Известны пассивные успокоители качки судов типа скуловых килей и решеток [1, 2]. Они в 2-2,5 раза могут уменьшить амплитуду качки на скоростях более 8-10 узлов, но практически бесполезны при отсутствии хода. А это основной режим работы крановых судов, плавучих кранов, казарм, ресторанов. Кроме того, для КС, плавучих кранов и казарм они малопригодны еще и по другой причине - мешают швартовке их самих к причалам и пришвартовке к ним кораблей и судов для погрузочно-разгрузочных операций. Водяные успокоительные цистерны на судах этого типа неприменимы из-за уменьшения начальной остойчивости, а гироскопы - из-за сложности, дороговизны и ненадежности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство для умерения бортовой качки, примененное на немецком ледоколе «Polarstern» [3]. Этот ледокол имеет в диаметральной плоскости под днищем килевую коробку, которая, как сказано в [3], служит для демпфирования бортовой качки. Килевая коробка не мешает швартовке, и это ее важное преимущество, но ее эффективность недостаточна. Есть более эффективное решение.
дн
дн
дн
дн
n
дн
Цель изобретения - обеспечение крановым и иным судам с большим отношением ширины к осадке, высокорасположенным центром масс и большой начальной поперечной метацентрической высотой существенное уменьшение параметров их бортовой качки на волнении заданной интенсивности без применения механических систем ее успокоения. Указанные цели достигаются тем, что у таких судов, снабженных пассивными успокоителями бортовой качки в виде выступающих за пределы корпуса прочных конструкций, под днищем вдоль каждого из бортов и параллельно им устанавливаются сдвоенные наружные вертикальные днищевые кили - нейтрализаторы волновых нагрузок (ВДН) высотой Н≥0,2Т осадки судна и длиной L≤0,8L длины судна, при этом наружные части этих килей-нейтрализаторов являются продолжением бортов, а внутренние удалены от наружных на расстояние b≈(0,4-0,6)H, все эти вертикальные пластины жестко (например, на сварке) соединены с днищем судна, которое выполнено усиленной прочности, кромки вертикальных пластин ВДН подкреплены горизонтальными полосками шириной δ≈(0,2-0,3)H, а сами вертикальные пластины ВДН дополнительно с днищем судна соединены по всей длине наклонными листами, составляющими угол 20-30° с вертикальными пластинами.
На фиг.1 показано описанное выше устройство применительно к крановому судну (КС). На корпусе КС (1) расположен кран (2) с грузом (3). Расположенные под днищем ВДН состоят из вертикальных наружных пластин (4), которые подкреплены полосками (5). Вертикальные пластины ВДН дополнительно соединены с днищем наклонными пластинами (6), обеспечивающими жесткое соединение этих пластин с днищем КС.
Принцип уменьшения волновых возмущающих моментов и бортовой качки судов такого типа с помощью ВДН демонстрирует фиг.2. На нем схематично показаны поперечное сечение корпуса, положение на нем центров масс G и плавучести С, параметры волнового профиля, ВДН и основные возмущающие моменты на корпусе и ВДН от воздействия на них волны.
Если профиль волны задать в виде (см. фиг.2)
0
где A - амплитуда волны на поверхности;
- волновое число;
λ - длина волны;
- частота волны;
τ - ее период,
то главными составляющими ее воздействия на КС [4] в показанной фазе являются следующие.
1. Квазистатический волновой момент от остойчивости формы и нагрузки
вс
0
Он пропорционален коэффициенту остойчивости gρVh и углу волнового склона α=-kАsinωt. Этот момент из-за большой метацентрической высоты у КС является главным возмущающим моментом. В данной фазе волны он действует по часовой стрелке.
2. Динамический момент от горизонтальной инерционно-волновой силы на корпусе , приложенной вблизи центра плавучести его корпуса, и создающий момент обратного знака по отношению к
g
с
где а=y-y - возвышение центра масс над центром плавучести.
3. Инерционно-волновой момент на корпусе судна от изменения по его ширине избыточного волнового давления, который пропорционален
Этот момент также действует против часовой стрелки. Но эффективности  и  недостаточно для нейтрализации очень большого у КС .
Патентная новизна предложения состоит в том, что на ВДН практически без увеличения водоизмещения судна формируется дополнительная сила, приложенная на достаточном удалении от центра масс КС, которая создает дополнительный волновой момент , действующий против . Этот момент пропорционален:
дн
дн
дн
дн
V=Н·δL - объем между пластинами днищевых килей-нейтрализаторов;
дн
δ - расстояние между пластинами днищевых нейтрализаторов волновых моментов;
дн
L - длина днищевого нейтрализатора волновых моментов;
дн
Н - высота наружного днищевого нейтрализатора;
Как показали выполненные в Военно-морском инженерном институте исследования [4], другие составляющие волновых сил и моментов на корпусе и днищевых килях имеют второй порядок малости по сравнению с указанными выше. Поэтому суммарный волновой момент можно приближенно представить в виде:
Первый член в (9) имеет отрицательный знак, а второй, третий от корпуса и четвертый от ВДН - положительный (в данной фазе волны). И эта противофазность действия первого члена и трех других проявляется во всех фазах. Поэтому в принципе подбором размеров ВДН для заданной расчетной балльности и массогабаритных размеров судна можно обеспечить заданную степень нейтрализации волновых моментов и уменьшения бортовой качки. Авторами разработана методика выбора эффективности ВДН. Проведенный эксперимент [4] с моделью судна показал, что ВДН вполне приемлемых размеров в 3-4 раза снижают бортовоую качку судна без хода и способны существенно ее уменьшить даже на резонансной частоте.
Патентный поиск не выявил подобного технического решения. Поэтому предложение обладает патентной новизной. Оно также отвечает критерию существенного положительного эффекта, т.к. решает проблему существенного уменьшения бортовой качки судов при функционировании без хода, когда любые суда особенно с большим отношением ширины к осадке подвергаются усиленной качке. И достигается это пассивными средствами, без применения механических систем, только за счет формирования на ВДН волнового момента обратного знака тому главному возмущающему, который является первопричиной качки любых судов.
Источники информации
1. Шмырев А.Н. Успокоители качки судов. Л., Судостроение, 1972 г.
2. Справочник по теории корабля под ред. Я.И.Войткунского, т.2 (Статика судов. Качка судов), Л., Судостроение, 1985.
3. Современное состояние и перспективы развития ледокольного флота зарубежных стран. Л., Судостроение за рубежом, 1988.
4. Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В., Ейбоженко А.В. и др. Сравнительное исследование качки моделей морского транспорта-погрузчика и разработка конструктивных мер улучшения его мореходности на основе структурной нейтрализации волновых возмущающих сил и моментов. (Экспериментально-теоретическая оценка эффективности бортовых и днищевых стабилизаторов качки).