КОРПУС СУДНА
SHIP HULL

Изобретение относится к области судостроения, в частности к проектированию корпусов судов.
Известен корпус судна с завалом борта и обратным наклоном форштевня (US 6601529, В63В 3/00, опубл. 05.08.2003 г.).
Недостатком данной конструкции является низкая остойчивость судна, что может привести к его опрокидыванию и гибели экипажа. Это объясняется уменьшенной по сравнению с традиционной конструкцией площадью ватерлинии, особенно при прохождении гребней волн, а также невысокими значениями восстанавливающего момента, действующего на судно при его накренении, что обусловлено малой величиной погружаемых в воду объемов судна при наклонении.
Известно судно, оснащенное вращающимся бульбом с приводом, позволяющим оптимизировать гидродинамические характеристики корпуса для различных условий загрузки судна (KR 101122255 В1, Y02T 70/121, опубл. 20.03.2012 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что, несмотря на уменьшение гидродинамической силы сопротивления движению судна за счет поворота бульба, нагрузки, действующие на носовую оконечность при погружении палубы судна в воду на встречном волнении, могут достигать значительных величин, что обусловлено наличием плоских поверхностей палубы в носовой оконечности. Это способствует возникновению явления захвата волной носовой оконечности судна, при этом возможно опрокидывание судна или разрушение его корпуса [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - С. 21-30].
В качестве ближайшего аналога принят корпус судна, представляющий собой непроницаемую оболочку, состоящую из тонких листов, которые подкреплены балками, выполненными из прокатных или составных сварных профилей (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с, с. 9-11, рисунок 1).
Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в возможности захвата носовой оконечности волной, что обусловлено наличием плоских поверхностей палубы и надстройки бака, вследствие чего может произойти падение метацентрической высоты и опрокидывание судна либо разрушение его корпуса [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30]. Захват носовой оконечности волной означает, что при сильном заливании палубы она работает в подводном положении как крыло, обтекаемое потоком жидкости, в результате чего на плоских поверхностях возникает равнодействующая сил давления, определяющаяся углом атаки и скоростью набегающей жидкости. Это обтекание неустойчиво, в результате чего равнодействующая может в любой момент сместиться в сторону от диаметральной плоскости и вызвать сильный крен или опрокидывание судна, а также разрушение его корпуса. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна.
Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая катастрофическое снижение остойчивости судна и разрушение его корпуса при захвате волной носовой оконечности за счет возможности улучшить условия обтекания носовой оконечности в критических ситуациях и, как следствие, уменьшить гидродинамическую силу, действующую на носовую оконечность корпуса судна.
Для получения необходимого технического результата в корпусе судна, выполненном в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, предлагается непроницаемую оболочку выполнить в виде кормовой непроницаемой части и носовой непроницаемой части. Носовую непроницаемую часть предлагается связать с поворотным механизмом, расположенным в кормовой непроницаемой части, и с блоком управления, и установить на закрепленных на кормовой непроницаемой части направляющих с возможностью поворота вокруг продольной оси на 180° и фиксации в новом положении.
В предлагаемом техническом решении при попадании судна в неблагоприятные погодные условия, сопровождающиеся заливанием палубы в носовой оконечности и возникновением опасности захвата волной носовой оконечности, происходит поворот носовой непроницаемой части относительно продольной оси на 180 градусов при помощи поворотного механизма, в результате чего улучшаются условия обтекания носовой оконечности и уменьшается нагрузка, действующая на нее, благодаря чему исключается опрокидывание судна и разрушение его корпуса.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - общий вид корпуса судна в режиме нормальной эксплуатации;
на фиг. 2 - общий вид корпуса судна при плавании на развитом волнении;
на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1;
на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 2.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - кормовая непроницаемая часть;
2 - носовая непроницаемая часть;
3 - поворотный механизм;
4 - направляющие;
5 - фиксаторы.
Конструкция корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих кормовую непроницаемую часть 1 и носовую непроницаемую часть 2, которая при помощи поворотного механизма 3 может вращаться относительно продольной оси в направляющих 4 и закрепляться фиксаторами 5.
Корпус судна работает следующим образом. В режиме нормальной эксплуатации судна, когда волны не достигают палубы, носовая непроницаемая часть 2 находится в исходном положении с плоской поверхностью палубы наверху. При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к появлению сложного режима обтекания палубы. В таких условиях возможно возникновение значительных нагрузок, действующих на корпус судна, вызванных обтеканием погруженной палубы, которую можно рассматривать как крыло сложной формы, расположенное под углом атаки к набегающему потоку жидкости. Под действием гидродинамической силы дифферент судна будет увеличиваться, а параметры его остойчивости резко снижаться. Кроме того, происходит рост напряжений от общего изгиба, что может привести к разрушению корпуса судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014. - С. 21-30]. При возникновении опасной ситуации в предлагаемой конструкции по команде судоводителя или бортовой интеллектуальной системы фиксаторы 5 освобождают носовую непроницаемую часть 2, затем с помощью поворотного механизма 3 происходит ее поворот на угол 180 градусов в направляющих 4 и ее закрепление в новом положении фиксаторами 5. После поворота носовой непроницаемой части 2 на угол 180 градусов относительно продольной оси гидродинамические нагрузки, действующие на носовую оконечность корпуса судна, уменьшатся за счет улучшения условий обтекания. Плоская палуба и фальшборт после поворота носовой непроницаемой части 2 работают как крыльевая система, препятствующая погружению носовой оконечности судна в воду, что ведет к уменьшению ее заливаемости.
Силу, действующую на носовую оконечность конструкции ближайшего аналога (или предлагаемой конструкции при исходном расположении носовой непроницаемой части 2 с плоской палубой наверху) и предлагаемой конструкции после поворота носовой непроницаемой части 2 на угол 180°, можно оценить с помощью (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 F(H)
,
где
С - коэффициент, зависящий от формы тела, числа Рейнольдса (для пластины
пласт
обт
С=1,11 для обтекаемого тела С=0,4);
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.
пласт
обт
Так как для конструкции ближайшего аналога (или предлагаемой конструкции при исходном расположении носовой непроницаемой части 2 с плоской палубой наверху) и предлагаемой конструкции после поворота носовой непроницаемой части 2 на угол 180° параметры S, V, ρ равны, то отношение сил, действующих на них при обтекании носовой оконечности, равно отношению коэффициентов С и С, т.е.
б.
a
.
где F - сила, действующая на конструкцию ближайшего аналога (или предлагаемой конструкции при исходном расположении носовой непроницаемой части 2 с плоской палубой наверху) при обтекании носовой оконечности;
п.к.
F - сила, действующая на предлагаемую конструкцию после поворота носовой непроницаемой части 2 на угол 180° при обтекании носовой оконечности.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет почти в 3 раза снизить гидродинамическую силу, действующую на носовую оконечность судна при ее обтекании, а с учетом тормозящего действия палубы и фальшборта эта нагрузка будет еще меньше.
Следует заметить, что поворот носовой оконечности на угол 180° приведет к уменьшению осадки судна носом за счет увеличения объема нижней части носовой оконечности, и, тем самым, будет снижать заливаемость палубы и величину гидродинамической силы, действующей на нее.
Для идентификации опасной ситуации, при которой возникает вероятность захвата волной носовой оконечности судна, и, соответственно, необходимость поворота носовой непроницаемой части 2 на угол 180°, могут быть использованы подходы к контролю динамики судна, изложенные в [Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И. Построение алгоритма контроля ситуации захвата волной носовой оконечности судна методами современной теории катастроф // Известия КГТУ.- Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2015. - №37. - С. 178-185]. При этом команда на поворот носовой непроницаемой части 2 может отдаваться как судоводителем, так и бортовой интеллектуальной системой в автоматическом режиме.
Таким образом, предлагаемая конструкция, в отличие от ближайшего аналога, позволяет исключить потерю остойчивости и разрушение корпуса судна при движении на встречном волнении в штормовых условиях, что способствует повышению безопасности мореплавания.