4.3. Креновые системы

4.3.1. Описание систем

В процессе эксплуатации судна может появиться крен вследствие неравномерной загрузки, несимметричного затопления бортовых отсеков, расходования топлива или других причин. Продолжительный крен ухудшает управляемость судном, нарушает работу машин и механизмов и затрудняет их обслуживание, поэтому одной из задач креновой системы является спрямление судна с помощью водяного балласта. Вместе с тем, на ледоколах и судах ледового плавания можно использовать креновые системы для преднамеренного раскачивания судна вокруг продольной оси с целью облегчения схода с кромки льда.

К креновым системам предъявляют ряд требований: не оказывать влияния на дифферент; не ухудшать поперечную остойчивость судна; работать с минимальным количеством балласта, который может размещаться в междудонных или междубортных БЦ, а также в топливных цистернах. Работа креновой системы ледоколов для раскачивания судна с заданным периодом наклонения должна осуществляться автоматически.

Заполнение бортовых БЦ или специальных креновых цистерн забортной водой, ее перекачка и отлив за борт могут производиться как собственными насосами системы, так и водоотливным, дифферентным, осушительным или пожарным насосами. При спрямлении аварийного судна балласт можно принять через кингстон, что упрощает устройство системы. Однако, при ограничении времени приема балласта и небольшой осадке судна это требует сравнительно больших проходных сечений кингстонов.

Основной принцип построения креновых систем–децентрализованный, а наиболее распространенными схемами являются автономная и групповая. Для перекачки балласта нереверсивным насосом требуется большое количество арматуры, позволяющей менять направление движения воды по трубопроводам, и построение автоматизированной системы затруднительно. Поэтому чаще всего используются осевые реверсивные насосы с подачей 3000÷4000 м³/ч при напоре до 100 Дж/кг (0,1 МПа).

Расположение осевых насосов, работающих с подпором забортной воды, на настиле второго дна обеспечивает надежное всасывание и подачу балласта с борта на борт с периодом 1÷3 мин., что вполне удовлетворяет требованиям эксплуатации судна. Напор насоса в 0,1 МПа при автономном схемном решении оказывается достаточным для преодоления сопротивления трубопроводов диаметрами до 700÷1000 мм. Кроме осевых насосов, для перемещения балласта может использоваться сжатый воздух.

Трубопроводы креновоых систем, работающие на морской воде, которая является агрессивной средой, целесообразно изготавливать из коррозионно-стойких материалов (бронза; сталь, плакированная медью; сталь, футерованная полимерами и т.д.). В качестве запорной арматуры могут применяться заслонки (поворотные затворы), а для больших диаметров (200÷1000 мм) рекомендуется использовать клинкеты, обладающие малым гидравлическим сопротивлением.

В состав креновой системы обязательно входят компенсаторы (например, линзовые), которые устанавливают с обеих сторон насоса для исключения его смещения, а также деформирования трубопроводов при сжатии корпуса судна. Приемные отверстия кингстонов снабжают защитными решетками и оборудуют средствами обогрева и продувания во избежание замерзания воды в кингстонных выгородках, забивания льдом или проникновения последнего в систему.

Основные параметры, характеризующие креновую систему: суммарный объем креновых цистерн V_Σ , м³; производительность насосов Q, м³/ч; время перекачки балласта с борта на борт t (90÷300 с); угол крена, создаваемого системой, θ (5÷8°).

4.3.2. Пример расчёта

Рассмотрим методику гидравлического расчета на примере креновой системы ледокола. Длина судна L=112,4 м; ширина B=24,5 м; высота борта D=14,0 м; осадка Т=10,5 м; водоизмещение Δ=15300 т; поперечная метацентрическая высота h=2,26 м; отстояние центра тяжести водяного балласта от ДП (определяется по чертежу общего расположения системы) l_ЦТ =8,02 м, высота креновой цистерны Z_КЦ=4,8 м. Предлагаемая креновая система должна обеспечивать угол крена θ=±6,3° и время перекачки с одного борта на другой t=2 мин.

Весовое количество балласта G определим из условия равенства моментов: кренящего М_КР=G · l · cos θ и восстанавливающего М_В=Δ · h · sin θ, т.е. из уравнения

.

Требуемый объем креновых цистерн одного борта

Размещаем на каждом борту между верхней и нижней палубами симметрично относительно мидель – шпангоута по 4 цистерны объемом V_КЦ = 464 / 4 = 116 (м³). Систему проектируем по автономному принципу, т.е. каждую пару противоположных цистерн обслуживает свой креновый насос. Суммарная производительность насосов составит:

(м³/ч),

а производительность каждого насоса Q_H = 13900 / 4 = 3480 (м³/ч).

Устанавливаем осевые реверсивные насосы ЭСН–13 / 1, имеющие следующие характеристики: производительность Q_H = 3600 м³/ч; напор Н_Н = 100 Дж/кг; мощность N = 145 кВт; число реверсов в час – не более 40; условный проход патрубков D_У700.

Принимаем условный проход трубопроводов системы равным также D_У700, т.е. считаем, что трубопроводы изготовлены из стальных электросварных труб 720х10 [5]. Абсолютная геометрическая шероховатость Δ = 0,15 мм.

Вычертим расчетную схему системы (рис.16).

Рис.16. Расчетная схема креновой системы

Расчет выполним в виде табл.10 и 11.

Таблица 10

Вспомогательный расчетный бланк

Местные сопротивления	Расчетные участки
	I–II	II–III
Вход в трубу с сеткой Колено α = 90°; R/d = 2,5 Колено α = 135° Компенсатор Выход из трубы с сеткой Клинкетная задвижка	1,5 1 х 0,2 = 0,2 - 1 х 0,4 = 0,4 - 0,2	- 1 х 0,2 = 0,2 1 х 0,24 = 0,24 1 х 0,4 = 0,4 2,45 0,12
Σζ	2,22	3,4

Уравнение полной характеристики трубопровода можно представить в виде H_Σ = h_СТ + bQ²_Σ , где bQ²_Σ – потери напора в трубопроводе. Величина h_СТ учитывает разность гидростатических давлений в точках I и II при перекачке балласта из креновой цистерны №1 в цистерну №2 с учетом подпора жидкости. В нашем случае bQ²_Σ = 20,29 Дж/кг.

Таблица 11

Основной расчетный бланк

Характеристика	Обознач.	Расчетные участки
		I–II	II–III
Расход воды, м3/с Температура воды, °С Коэффициент кинематической вязкости, м2/с Внутренний диаметр трубы, м Средняя скорость воды, м/с Число Рейнольдса Коэффициент сопротивления трения Длина прямых участков, м Потери напора на трение, Дж/кг То же в местных сопротивлениях, Дж/кг Суммарные потери напора на участке, Дж/кг	QH=QΣ T ν d v Re λ l hT hM hУЧ	1,0 0 1,78·10-6 0,7 2,6 1,02·106 0,014 10,8 0,73 7,49 8,22	1,0 0 1,78·10-6 0,7 2,6 1,02·106 0,014 8,7 0,59 11,48 12,07
Полные потери напора, Дж/кг	hΣ	20,3

Рис.17. Совмещенные характеристики креновой системы и насоса

Строим характеристику трубопровода (рис.17) без учета подпора в цистернах. H_I = Н_Σ = 20,3 Дж/кг при Q_I = Q_Σ = 3600 м³/ч = 1 м³/с. Так как цистерны находятся на одном уровне, то h⁰_СТ=0 при Q₀=0. Для построения графика находим промежуточную точку: при Q_II = 0,8 Q_Σ = 2880 м³/ч = 0,8 м³/с Дж/кг. На полную характеристику трубопровода накладываем напорную характеристику насоса. Точка А пересечения этих характеристик является рабочей точкой системы и соответствует производительности насоса Q=1,07 м³/с.

Чтобы учесть подпор, разобьем цистерны условно на 4 слоя высотой ΔZ = 1,2 м каждый и будем считать, что во время откачки слоя его гидростатическое давление соответствует высоте слоя, проходящего через центр тяжести откачиваемого объема. Цистерны считаем прямостенными. Объемы отдельных слоев будут равны V_СЛ = 116 / 4 = 29 (м³). В начальный момент перекачки цистерна №1 заполнена, цистерна №2 – пустая.

Тогда h^I_CT = 0 – 4ΔZg = – 47,1 (Дж/кг).

В следующий момент перекачки в КЦ №1 осталось 3 слоя воды, в КЦ №2 – один слой: h^II_CT = ΔZg – 3ΔZg = 11,8 – 35,3 = – 23,5 (Дж/кг).

Далее:

h⁰_CT = 2ΔZg – 2ΔZg = 0;

h^III_CT = 3ΔZg – ΔZg = 23,5 (Дж/кг);

h^IV_CT = 4ΔZg – 0 = 47,1 (Дж/кг).

Строим характеристики трубопровода для рассмотренных случаев перекачки:

при Q_Σ = 0 h^I_CT = – 47,1; h^II_CT = – 23,5; h⁰_CT = 0; h^III_CT = 23,5;

h^IV_CT = 47,1 (Дж/кг);

при Q_Σ = 0,8 м³/с H_I = – 33,65; H_II = – 10,1; H₀ = 13,44; H_III = 37,0;

H_IV = 60,53 (Дж/кг);

при Q_Σ = 1,0 м³/с H_I = – 26,8; H_II = – 3,24; H₀ = 20,3; H_III = 43,85;

H_IV = 67,4 (Дж/кг).

Пересечения этих кривых с характеристикой насоса дадут положения рабочих точек А_i системы во время откачки отдельных слоев жидкости (см. рис.16). Из графика видно, что производительность насоса изменяется от 1,3 м³/с в начале перекачки до 0,75 м³/с в ее конце. Длительность перекачки всего объема воды из КЦ №1 в КЦ №2 составит t ≈ 105 с.

Таким образом, принятые для креновой системы насос и трубопровод удовлетворяют заданию по перекачке балласта в установленный период времени.

4.3.3. ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЁТА.

Таблица 12

№ варианта	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Водоизмещение Δ, м3	12000	16000	20000	24000	28000	32000	36000	40000	44000	48000
Угол крена θ,°	7÷ 8
Период полного наклонения t, с	120 – 170		130 – 180		140 – 190		150 – 200		160 – 210
Поперечная метацентрическая высота h, м	2,1		2,2		2,3		2,4		2,5
Отстояние ЦТ балласта от ДП lЦТ, м	8,0		8,5		9,0		9,5		10,0
Высота креновой цистерны ZКЦ, м	4,8		5,0		5,2		5,4		5,6
Тип насоса	Осевой

Размеры участков системы задаются ведущим преподавателем после разработки студентом расчетной схемы.