4.3 Натурные испытания успокоителей качки
Натурный эксперимент всегда оказывается заключительной проверкой успокоителя качки в целом перед принятием решения о его практическом внедрении. Этот эксперимент, обычно связанный с многочисленными выходами судна в различные районы моря с участием высококвалифицированных специалистов, сопряжен с большими затратами и потому всегда трудно осуществим. Безусловно, он должен быть всесторонне обдуман, хорошо спланирован, организован и оперативно проведен.
Основная задача натурного эксперимента — дать достоверную оценку эффективности и эксплуатационных качеств нового успокоителя качки в реальных условиях.
Методики и способы проведения натурных испытаний успокоителей качки, несмотря на различия, определяемые конструктивными особенностями последних, имеет много общего. Поэтому прежде, чем перейти к рассмотрению натурных испытаний конкретных успокоителей качки, остановимся на основных этапах этих испытаний.
Натурные испытания успокоителей качки обычно проводятся на тихой воде (для активных успокоителей) и на волнении.
На тихой воде уточняют характеристики механизмов, входящих в состав успокоителя качки, определяются точность работы чувствительных элементов, измеряют статическую характеристику активных успокоителей качки и производят раскачивание судов для уточнения параметров бортовой качки.
Испытания на тихой воде являются подготовительными к испытаниям на волнении, во время которых определяют эффективность умерения качки, а также проверяют различные технические характеристики успокоителя качки в реальной обстановке эксплуатации. Испытания на волнении состоят из маневрирования судна на нескольких прямолинейных галсах с заданным значением курсового угла по отношению к волне. Помимо оценки эффективности успокоителя качки, на этих испытаниях должно быть уточнено его влияние на различные мореходные качества судна- управляемость, незаливаемость, ходкость и т. п.
4.3.1Успокоительные цистерны. Содержание натурных испытаний успокоительных цистерн зависит от их конструктивных особенностей, особенно от наличия активизации.
Испытания активных цистерн обычно включают в себя следующие этапы [5 ]:
определение характеристик активизатора при работе на замкнутую аэрогидравлическую сеть цистерн. Здесь же определяется суммарное запаздывание в цистернах, путем измерения промежутка времени от выработки сигнала системой автоматического управления до исполнения его приводом активизатора;
измерение статической характеристики цистерн и коэффициента демпфирования жидкости, желательно — при различных водоизмещениях судна и начальных амплитудах перемещения уровня жидкости;
проверку работы цистерн как средства для выравнивания крена судна на циркуляции;
создание вынужденной качки судна с помощью цистерн, управляемых в фазе с угловой скоростью бортовой качки;
5) определение эффективности умерения качки и эксплуатационных качеств цистерн в условиях реального волнения.
Испытания, по пунктам 1—4 производят в условиях тихой воды. Они являются предварительными перед завершающим пятым этапом. При этих испытаниях применяется обычная измерительная аппаратура, используемая при стендовых испытаниях механизмов, а также гироскопические, жидкостные и прочие кренометры. Кроме того, оказывается необходимой аппаратура, регистрирующая колебания жидкости в бортовых отсеках цистерн и колебания судна (угол крена и его производные) .
Демпфирование в цистернах определяется по затуханию свободных колебаний жидкости после перегонки ее в крайнее положение.
Если в качестве балластной жидкости цистерн используется не вода, а жидкое топливо, то во время испытаний на тихой воде должно быть изучено выделение из него взрывоопасных летучих веществ и проверены мероприятия по обеспечению безопасности.
Создание с помощью цистерн вынужденной качки судна на тихой воде позволяет решить две основные задачи:
1) приближенно оценить эффективность цистерн, так как известно, что в условиях резонансного волнения они способны уменьшить амплитуду качки судна примерно на величину амплитуды, достигаемой при раскачивании судна на тихой воде;
2) определить коэффициент демпфирования бортовой качки по затуханию свободных колебаний судна после его раскачивания.
Раскачивание судна обычно производят в резонансе при нескольких скоростях хода, чтобы оценить влияние последней как на амплитуду вынужденной качки, так и на затухание свободных колебаний. Однако желательно раскачивать судно не только при резонансной частоте, но и при других частотах с тем, чтобы можно было дать оценку эффективности цистерн в довольно широкой зоне частот возмущения.
Испытания по пункту 5 обязательны для цистерн любого типа, включая и пассивные. Эти испытания обычно проводят в условиях умеренного(4 балла), среднего (5 баллов) и сильного (6 баллов и выше) волнения, поэтому при осуществлении испытаний очень большое значение приобретает правильное определение балльности моря. Для оценки волнения обычно пользуются способами измерения элементов волн (чаще всего высот), включая визуальные, инструментальные, а также стереофотосъемку.
Визуальные наблюдения дают лишь ориентировочную оценку степени волнения. Достоверные результаты дает обработка инструментальной записи волн с помощью плавающих вех, буев, мембранных и других волнографов; весьма редко для регистрации волнения применяется стереофотосъемка, осуществляемая двумя длиннофокусными фотокамерами, устанавливаемыми на испытуемом судне
Определив в результате обработки записей средние и максимальные амплитуды или размахи бортовой качки на каждом из таких галсов, отдельно при включенных и выключенных цистернах, можно сделать исчерпывающее заключение об эффективности цистерн как успокоителя качки.
Наблюдения за поведением судна во время испытаний, а также инструментальные записи углов рысканья и килевой качки, вертикальных перемещений судна дают необходимый материал для суждения и влиянии цистерн на мореходность.
Наиболее крупные натурные испытания пассивных
успокоительных цистерн 1-рода были произведены в 1913 году комиссией под председательством А. Н. Крылова на специально зафрахтованном немецком пассажирском судне Метеор, водоизмещением около 4300 т.
Выйдя в Атлантический океан (в район Азорских островов), комиссия в течение более двух недель осуществляла тщательные наблюдения за поведением судна при включенных и выключенных цистернах и вывела заключение, что при статической характеристике цистерн около 3° в условиях океанской зыби от 4 до 7 баллов, обеспечивается в среднем двухкратное умерение бортовой качки судна
Натурные испытания активных успокоительных цистерн с турбовоздуходувками производились в Германии фирмой «Сименс» на целом ряде военных судов, а цистерны с насосом переменной производительности были подготовлены к испытаниям на одном из судов американского флота еще до второй мировой войны, однако подробных данных об этих испытаниях не имеется.
Во время таких испытаний, наряду с записью параметров качки судна, должна производиться синхронная запись движения воздухораспределительного клапана (у цистерн с турбовоздуходувкой) или углов поворота лопастей насоса (у цистерн с насосами), перемещения жидкости в цистернах, мощности привода активизатора и т. п,
4.3.2.Гидродинамические успокоители. В настоящем разделе будут рассмотрены натурные испытания двух наиболее употребляемых гидродинамических успокоителей качки: бортовых килей и бортовых управляемых рулей.
Бортовые кили. Испытания килей заключаются в установлении влияния их на амплитуды бортовой качки. Запись амплитуд качки должна производиться одновременно на двух идущих параллельными курсами однотипных судах, на одном из которых установлены бортовые кили, а на другом они отсутствуют. Скорость хода, состояние нагрузки и периоды свободных колебаний обоих судов во время испытаний должны быть одинаковыми; на судах устанавливаются однотипные гироскопические приборы для записи качки.
Эффективность килей оценивается путем сравнения средних амплитуд (или размахов) качки судов на данном режиме испытаний. Продолжительность режима должна быть достаточной для того, чтобы обработка результатов записи могла производиться методами математической статистики. Обычно принимается, что статистическая обработка записей качки возможна в том случае, если за время режима судно совершило не менее 100–150 полных колебаний.
Впервые натурные испытания бортовых килей были проведены В. Фрудом в 1872 г. на корветах Грейхаунд и Персеус. На первом из них были установлены бортовые кили высотой 1,07 м, а на втором кили отсутствовали. Водоизмещение и периоды свободных колебаний обоих судов во время испытаний были одинаковы. При положении лагом к волне без хода средние размахи качки Грейхаунда равнялись 6°, а Персеуса — 11°.
В последующие годы сравнительные испытания судов с килями и без килей проводились во многих странах.
Результаты испытаний показывают, что в среднем бортовые кили площадью 2—4% от площади грузовой ватерлинии уменьшают амплитуды качки судов в дрейфе на 25–30%. С ростом скорости хода относительная эффективность килей уменьшается. При ходе судна лагом к волне с относительной скоростью
кили той же площади
уменьшают амплитуды качки в среднем на
25%, при относительной
скорости
на 15—20%.
При ходе судна под острыми или тупыми курсовыми углами к волне эффективность килей еще более снижается, но это не имеет существенного значения, поскольку амплитуды качки в этих условиях невелики.
В настоящее время эффективность бортовых килей сомнений не вызывает, поэтому сравнительные натурные испытания их не проводятся.
Бортовые управляемые рули. В практике отечественного судостроения испытания бортовых управляемых рулей, как правило, состоят из двух этапов: 1) раскачивания судна рулями на тихой воде и 2) испытания рулей в режиме стабилизации на волнении.
На первом этапе испытаний записываются углы качки и углы перекладки рулей, иногда регистрируется давление масла в цилиндрах перекладки рулей, что позволяет судить о величине крутящего момента на баллере. Определяется также безразмерный коэффициент сопротивления бортовой качке судна с выдвинутыми неработающими рулями. Полученные результаты сопоставляются с проектными данными, в случае необходимости, производится доводка привода и системы управления, устраняются обнаруженные неполадки.
Испытания в режиме стабилизации проводят при ходе судна под различными курсовыми углами к волне, аналогично тому, как это было описано применительно к успокоительным цистернам. При испытаниях исследуется влияние различных законов управления рулями на их эффективность. Желательно, чтобы сравниваемые режимы не отделялись друг от друга большими промежутками времени, в течение которых могли бы измениться условия волнения.
В практике иностранного судостроения часто производится экспериментальное определение статической характеристики успокоителя путем замера угла крена, возникающего при статической перекладке рулей на заданный угол. Проведение таких испытаний не может быть рекомендовано, поскольку угол крена, замеренный при статической перекладке рулей, зависит не только от момента, создаваемого рулями, но и от момента сил сопротивления дрейфу накрененного судна. Для подтверждения сказанного достаточно привести следующие данные: согласно расчету статическая характеристика успокоителя, установленного на лайнере Марипоза, равнялась 4,5°. Перекладка рулей на заданный угол вызвала динамическое накренение судна на 8°, однако через минуту крен уменьшился до 3°.
Если система управления успокоителем включает в себя датчик подъемной силы, как это сделано в успокоителях фирмы «Сперри», в процессе испытаний желательно записать силы, возникающие на рулях при различных режимах перекладки. При отсутствии штатных датчиков на время испытаний на наружную поверхность баллера могут быть временно наклеены тензометрические датчики. Однако они легко повреждаются при уборке рулей внутрь корпуса и не дают надежных результатов.
Крутящий момент на баллере руля обычно не замеряется непосредственно, а определяется, в случае наличия гидравлического привода, по перепаду давления масла в полостях цилиндра перекладки руля.
Для определения мощности, потребляемой успокоителем, производится регистрация силы и напряжения V тока на клеммах электродвигателя насоса переменной производительности.
На основании результатов испытаний строят графики изменения силы, момента и мощности за период перекладки руля, которые сопоставляются с расчетными данными.
Системы автоматического управления успокоителями качки, как правило, специальным испытаниям в натурных условиях не подвергаются, а испытываются вместе с успокоителем качки.
ЛИТЕРАТУРА
Луговский В.В. Качка корабля. Санкт-Петербург 1999.
Семенов-Тян-Шанский В.В. Качка корабля. Изд. Судостроение, Л.1969
Справочник по теории корабля. Т.2 Статика судов. Качка судов. Под редакцией Я.И. Войткунского. Ленинград, Судостроение,1985
Холодилин А.Н., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. Ленинград, Судостроение,1976.
Шмырев А.Н., Мореншильдт В.А., Ильина С.Г. Успокоители качки судов. Ленинград 1961.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3