Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.Ю. СЕМЕНОВА

УСПОКОИТЕЛИ КАЧКИ СУДОВ

Утверждено советом университета

в качестве учебного пособия

Санкт-Петербург

2014 г

УДК 629.5.025.2

ББК 39.42-01

Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор Ю.В. Гурьев;

Доктор технических наук М.А. Кутейников

Семенова В.Ю.

Успокоители качки судов.

В учебном пособии излагаются основы современной теории расчета средств, предназначенных для умерения качки. Учебное пособие написано в соответствии с программой курса по профилю бакалаврской и магистерской подготовки «Теория корабля и гидродинамика» Может быть использовано также аспирантами по специальности 05.08.01 – Теория и строительная механика корабля.

В пособии излагаются различные способы стабилизации судна . В нем описываются основы теории и расчета основных типов успокоителей качки, применяемых в настоящее время в судостроении.

. Учебное пособие иллюстрируется необходимым графическим материалом.

Введение

Качка является причиной целого ряда вредных для судна последствий, таких как :

1. Возможность опрокидывания судна вследствие потери остойчивости;

2. Появление дополнительных нагрузок на корпус, что может привести к нарушениям общей и местной прочности судна;

3. Ухудшение управляемости судна ;

4. Снижение пропульсивных качеств судна;

5. Резкое ухудшение условий обитаемости судна.

Качка оказывает влияние на все мореходные качества судна и потому считается ключевой проблемой мореходности. Естественно, что борьба с качкой имеет первостепенное значение.

Уменьшение качки корабля может быть достигнуто следующими способами:

1) проектированием рациональных форм обводов, главных размерений и состояний нагрузки судна;

2) выбором соответствующих скорости и курса по отношению и направлению распространения волнения, позволяющим избегать резонансных режимов качки;

3) установкой специальных устройств, называемых успокоителями качки.

Первые два из названных направлений имеют ограниченное значение , поскольку они не решают проблемы борьбы с качкой при меняющихся в широких пределах внешних условиях . Третье направление является наиболее универсальным и надежным.

Успокоители качки являются основным средством стабилизации судна, рассматриваемого как абсолютно твердое плавающее тело, и поэтому называются также стабилизаторами.

Основная задача, которую должны решать успокоители качуки , сводится к улучшению мореходных , а следовательно и эксплуатационных качеств судов. Успокоители качки должны существенно улучшать :

1. Обитаемость судна ;

2. Маневренность и автономность, обеспечивая судну лучшую управляемость и большую скорость хода при волнении;

3. Ходкость, незаливаемость и управляемость в штормовых условиях.

Стабилизированные суда обладают более высокими экономическими показателями , чем нестабилизированные ,поэтому затраты на сооружение успокоителей качки всегда окупаются в процессе эксплуатации судна.

Поскольку наибольшее значение имеют успокоители бортовой качки , в настоящем учебном пособии они будут занимать центральное место.

Глава 1. Классификация успокоителей качки

1. Исторический обзор использования успокоителей.

Исторически первым успокоителем качки оказались выступающие части судна в виде килей разных типов ( средних, скуловых, горизонтальных). Скуловые или боковые кили в виде плоских продольных ребер на скуловом закруглении устанавливались на судах уже в первой половине XIX века и заслужили репутацию весьма эффективных и конструктивно простых устройств. С тех пор они применяются без каких-либо принципиальных изменений конструкции. Боковые кили обычного типа устанавливаются на большинстве современных судов в качестве вспомогательного и наиболее дешевого средства стабилизации. На некоторых судах океанского плавания применяют также носовые горизонтальные кили для осуществления продольной и вертикальной стабилизации.

Следующими за килями успокоителем качки оказались жидкостные цистерны. В 1881 на английском броненосце «Инфлексибл» были установлены специальные водяные камеры , получившие название плоских цистерн. Свободные поверхности жидкости в этих цистернах понижали остойчивость корабля и увеличивали период его свободной качки, тем самым расстраивая резонанс и уменьшая амплитуды бортовой качки.

С выключенными цистернами «Инфлексибл» имел период свободной бортовой качки около 8-9 сек, а с выключенными- около 11 секунд. Во время плавания в Бискайском заливе «Инфлексибл» качало значительно меньше, чем однотипные с ним корабли , не имевшие плоских цистерн

Почти одновременно с изобретением плоских цистерн в 1894 г. Русский флотоводец адмирал С.О. Макаров сформулировал идею так называемых пассивных жидкостных цистерн , настроенных на определенную, резонансную с судном частоту колебаний. Эта идея была развита немецким инженером Г. Фрамом, который в 1908 г. запатентовал пассивные цистерны 1-го рода, а затем и цистерны 2-го рода.

Источником стабилизирующего действия пассивных цистерн служит вес жидкости, перемещающийся с одного борта к другому под влиянием качки.Цистерны 1-го рода в нижней части соединяются водяным каналом, а в верхней части- воздушным. Цистерны 2-го рода отличаются тем, что вместо водяного соединительного канала они сообщаются с заботной водой через отверстия в обшивке.

С целью дальнейшего усовершенствования жидкостных цистерн в 1933 г. Германская фирма Сименс снабдила их специальными механизмами , вызывающими принудительное перетекание жидкости. Сначала в качестве такого механизма использовались турбовоздуходувки, а затем насос переменной производительности.

Вслед за цистернами , в конце XIX века были изобретены успокоители с твердыми перемещающими грузами, принцип действия которых в сущности такой же, как и у жидкостных цистерн. Но если у цистерн для создания противокренящих усилий приходится перемещать довольно большие объемы жидкости. То объемы твердых грузов оказываются намного меньшими. Однако, твердые грузы, несмотря на все попытки их усовершенствования путем введения исскуственного управления и улучшения конструкции , не получили применения с силу очевидных недостатков.

Следующим типом успокоителя качки, изобретенном уже в самом начале XX века , оказался пассивный гиростабилизатор немецкого инженера О.Шлика, построенный на использовании свойств силового гироскопа. Первый такой успокоитель был установлен на пассажирском пароходе «Сильвана», имевшем большую остойчивость и стремительную качку.

В 1911 г. Пассивные гиростабилизаторы были усовершенствованы американским инженером Сперри , который ввел принудительное воздействие на гироскоп. В этом виде гиростабилизаторы, ставшие активными. Сначала получили широкое распространение , а затем, после примерно 20-летнего периода использования, сравнительно быстро вышли из употребления в основном из-за сложности устройства и высокой стоимости.

Идея использования бортовых управляемых рулей была высказана в 1894 г. адмиралом С.О. Макаровым . На практике бортовые рули, представляющие собой поворачиваемые подводные крылья , были впервые применимы по предложению инженера Мотора в 1923 г. в Японии на п/х «Мутсу Мару». Этот вид успокоителей качки , пройдя сравнительно быстро стадию усовершенствований, оказался наиболее приемлемым для современных быстроходных судов и военных кораблей.

Следует отметить также многочисленные попытки применить в качестве рабочих органов успокоителей качки различные движители, например : роторы Флеттнера, крыльчатые движители, водоструйные движители и т.д. Однако практического внедрения, если не считать нескольких мелких установок опытного характера , все эти успокоители качки не получили и в настоящее время не употребляются.

Таким образом, из большого количества разновидностей успокоителей качки всеобщее признание получили лишь несколько конструкций. Причины такого массового отсева кроются в тех высоких требованиях, которые предъявляются к успокоителям качки. Эти требования предусматривают обеспечение, во-первых, - высокой эффективности умерения качки, во-вторых,- конструктивного совершенства и надежности действия и , в-третьих -экономичности и удобства эксплуатации успокоителя качки. Поэтому из всего многообразия успокоителей качки в настоящее время считаются наиболее перспективными :

• Бортовые и носовые горизонтальные кили соответственно для умерения бортовой и килевой , а также вертикальной качки судов;

• Бортовые рули разных конструкций для умерения бортовой качки;

• Успокоительные цистерны разных конструкций для умерения бортовой качки.

1.2 Общие принципы стабилизации.

При использовании успокоителей качки стабилизирующий эффект достигается за счет создания момента, противоположного по фазе возмущающему моменту. Если при таком сочетании фаз стабилизирующий и возмущающий момент окажутся равными по величине, то корабль вообще качаться не будет. Однако, полная ликвидация качки на нерегулярном волнении практически неосуществима. Поэтому целью стабилизации является уменьшение амплитуд до пределов, обеспечивающих удовлетворительную обитаемость корабля и возможность выполнять соответствующие его назначению задачи.

Рассмотрим бортовую качку судна при так называемой параметрической стабилизации. В этом случае стабилизирующий момент, действующий на судно, записывается в виде:

, (1.1)

где А, В, С –коэффициенты стабилизации.

Тогда укороченное уравнение бортовой качки стабилизированного судна примет вид:

, (1.2)

где –возмущающий момент.

При наличии Мст и его зависимости от углов наклонения, скоростей и ускорений уравнение (1.2) примет вид

_(1.3)

Разделив все члены уравнения на коэффициент при второй производной, получим:

, (1.4)

где

– коэффициент сопротивления стабилизированного судна,

– собственная частота стабилизируемого судна,

Из полученных равенств видно, что возможны 3 способа стабилизации:

1. Стабилизация по скорости

(А=0, С=0) (1.5)

Такая стабилизация равносильна увеличению коэффициента демпфирования, что приводит к уменьшению амплитуды качки в районе резонанса, в связи, с чем данный способ стабилизации является наиболее предпочтительным.

2. Стабилизация по углу крена

(В=0, С=0) (1.6)

Это равносильно увеличению коэффициента остойчивости. Этот коэффициент влияет на резонансную частоту. Происходит сдвиг резонанса в область высоких частот, без уменьшения абсолютного максимума.

3) Стабилизация по угловому ускорению.

С>0 (А=0, В=0) (1.7)

Это равносильно увеличению инерционных свойств судна.

Резонансная частота уменьшается и происходит сдвиг резонанса в область низких частот, без уменьшения абсолютного максимума.

4. Общий случай. Управление успокоителем «по моменту»

В этом случае .

Особый теоретический интерес представляет случай, когда коэффициент при параметрах пропорциональны коэффициентам при соответствующих членах дифференциального уравнения качки судна.

(1.8)

В этом случае уравнение качки стабилизированного судна может быть записано в виде

(1.9)

или

, (1.10)

Тогда

. (1.11)

Такое управление успокоителем качки называется «регулированием по моменту». Стабилизирующий момент при этом пропорционален возмущающему моменту волны. Применение такого метода стабилизации равносильно уменьшению действующего угла волнового склона (рис.1.1).

Рис.1.1 Резонансные кривые стабилизированного судна при различных законах управления стабилизирующим моментом.

Важнейшими критериями эффективности успокоителя являются его статическая характеристика и достигаемая кратность умерения качки.

Статическая характеристика успокоителя – это тот угол статического крена, который получит судно на тихой воде при приложении к нему максимального момента, развиваемого успокоителем.

_(1.12)

Считается, что при θст=α_m, где α_m– эффективный уклон волнения, успокоитель может полностью стабилизировать судно. В силу этого успокоитель качки, признается эффективным, если θст=4 – 6⁰.

Введем понятие «кратности умерения качки», под которым понимается отношение амплитуды колебаний нестабилизированного судна к амплитуде стабилизированного судна (при резонансе).

(1.13)

Эффективными признаются успокоители, имеющие кратность умерения К≥3.