1.3 Классификация успокоителей

Классификация успокоителей проводится по следующим признакам:

1. принцип управления;

2. механическая природа сил, осуществляющих стабилизацию;

3. плоскость стабилизации;

4. тип рабочего органа

Механическая природа сил	Принцип управления		Тип рабочего органа	Направление действия
	Пассивные	Активные
Гравитационные	Пассивные цистерны	Активные цистерна	Жидкость	Для умерения бортовой качки
Гидродинамические	Кили, самоперекладывающиеся рули	Управляемые рули и различных конструкций	Выступающие части различных типов	Для умерения всех видов качки
Гироскопические	Пассивные гиростабилизаторы	Активные гиростабилизаторы	Гироскопы	Бортовая качка

Пассивные успокоители создают стабилизирующий момент как реакцию на колебания судна, в них отсутствуют силовые приводы и системы управления. Активные успокоители имеют силовые приводы и системы управления и требуют затраты мощности.

Глава 2. Успокоительные цистерны

Все успокоительные цистерны имеют один и тот же рабочий орган – жидкость. Цистерны делятся на две большие группы:

1. Цистерны 1 рода– закрытые;

2. Цистерны 2 рода– открытые. Они сообщаются с забортной водой.

И те и другие могут быть как пассивными так и активными.

2.1 Пассивные цистерны первого рода

Пассивные успокоительные цистерны используют силу веса перетекающей жидкости и представляют собой жидкостной маятник. Перемещение воды создает стабилизирующий момент, обусловленный действием сил тяжести. Цистерны первого рода имеют соединительные водяной и воздушный каналы. Наибольшую эффективность эти цистерны имеют в условиях так называемого двойного резонанса, когда период колебаний жидкости внутри цистерны равен периоду качки корабля на тихой воде. При этом колебания корабля отстают от колебаний волны на фазовый угол π/2, а колебания воды в цистерне – π/2 от колебаний корабля. Таким образом, цистерны работают в противофазе с волной.

Рис.2.1 Пассивная цистерна первого рода.

Уравнение движения системы судно - закрытые цистерны имеют вид

(2.1)

Здесь Fо– площадь свободной поверхности жидкости в бортовом отсеке при среднем положении

(2.2)

– приведенная длина столба жидкости в цистерне;

(2.3)

Разделим каждое уравнение системы (2.1) на соответствующий коэффициент при второй производной:

.

_(2.4)

Здесь

; ; ;

; . (2.5)

Решение системы будем искать в виде:

_(2.6)

Найдем производные

;

;

_{; (2.7)}

Подставляя, производные в систему и отделив функции при косинусе и синусе, найдем:

(2.8)

Таким образом, вынужденные колебания судна и жидкости в цистернах на гармоническом волнении будут описываться выражениями

и ,

где ;

; . (2.9)

По этим формулам можно построить АЧХ и ФЧХ системы судно – цистерна.

С другой стороны АЧХ можно определить следующим образом (решая систему методом комплексных чисел)[4 ]:

(2.10) ,

где

; ; ;

(2.11)

Безразмерный коэффициент демпфирования в процессе расчетов следует определять по формуле [ 5]:

(2.12)

Увеличение свыше 0,5 невыгодно, так как оно приводит к увеличению качки судов.

АЧХ имеют двугорбый вид, но по мере возрастания горбы сглаживаются.

При малых коэффициент динамичности колебаний жидкости в цистерне имеет резко выраженный пик при приближении частоты возмущающей силы к ω_z. В этом диапазоне частот достигается весьма эффективное умерение качки судна. Вблизи частот ω_z по обе стороны от неё «отзывчивость» жидкости в цистернах на колебания судна оказывается чрезмерной, особенно с учётом разности фаз. В результате колеблющаяся в цистернах жидкость начинает раскачивать судно. В итоге амплитуды колебаний системы существенно увеличиваются, и на АЧХ появляются два горба с глубокой впадиной между ними при частоте, близкой к ω_z.

Рис.2.2 АЧХ бортовой качки судна с пассивными цистернами

При увеличении «отзывчивость» жидкости в цистернах перестает быть чрезмерной, так что исключается и их раскачивающее действие –горбы на АЧХ исчезают.

При →∞ перетекание жидкости в цистернах с борта на борт становится невозможным, что равносильно выключению цистерн.

Вблизи режима двойного резонанса, когда ω_θ=ω_z=ω и действие цистерн близко к оптимальному, сдвиг фаз δ_z – δ, близок к 90⁰. Именно в этом режиме принято говорить о так называемом фрамовском действии цистерн.

Рис.2.3 Амплитудно-частотные характеристики жидкости в цистернах

Схема упрощенного расчёта пассивных цистерн.

1) Назначается допустимая амплитуда качки θm, которая не может быть превзойдена в условиях резонанса на заданном волнении.

2) Условно принимаем динамическую поправку к статической характеристике цистерны φ_d=0,2φ_сm.

Определяем статическую характеристику цистерн

, (2.13)

3) Исходя из общего расположения судна и размеров отсеков, отводимых для цистерн, выбираем величины Н и С. При этом рекомендуется Н=(0,15 ÷ 0,25)С.

Н –полувысота активного объема цистерн.

4) Определяется площадь Fо по формуле

(2.14)

И выбираются размеры цистерны в плане.

Ширину бортовых отсеков не рекомендуется принимать свыше 2,5 – 3м.

5) Выбирается форма и размеры соединительного канала цистерны на основании формулы

(2.15)

Одновременно вычисляется и величина

(2.16)

Анализ и опыт показывают, что оптимальные коэффициенты демпфирования в успокоительных цистернах обычно заключены в пределах 0,1 ÷ 0,3.

6) Вычисляется динамическая поправка по формуле

(2.17)

Если φ_d>0,2φ_ст, то форму и расположение цистерн целесообразно изменить.

Поскольку коэффициент демпфирования может быть легко изменим простым поворотом дросселей и заслонок соединительных каналов, расчет проводят для нескольких значений от 0,1 до 0,5 и проводят вычисления для всего диапазона.

Демпфирование в цистернах.

Демпфирование жидкости в закрытых цистернах обусловлено , в основном, аэрогидравлическим сопротивлением в воздушном и жидкостном каналах. При этом, с точки зрения расчета аэрогидравлического сопротивления, цистерну можно разбить на 4 основных участка [5]:

1.бортовые каналы почти цилиндрической формы , периодически заполняемые и осушаемые;

2. переходное сечение из бортовых отсеков в днищевой канал;

3. днищевой соединительный канал с переходами и клапаном

4. воздушный соединительный канал с переходами и клапаном

Жидкостный и воздушный потоки характеризуются преимущественно турбулентным режимом течения, поскольку они обладают числами Рейнольдца, значительно превосходящими критические значения для труб ( Re_кр=3000). В целях упрощения расчетов в рассмотрение вводится так называемая струйная модель турбулентного потока, позволяющая заменять турбулентное течение некоторым осредненным, без пульсации скоростей и напряжений.

Сопротивление в цистернах обычно исчисляют в виде следующих составляющих:

1. потери на трение жидкости и воздуха о стенки в прямых участках бортовых цистерн и соединительных каналов ;

2. потери от изменения сечений и кривизны потока ( переходные участки)

3. Местные потери от дросселя и заслонок

Все эти расчеты выполняются по установившимся в гидравлике приближенным формам. Однако для ориентировочных расчетов при проектировании цистерн можно использовать весьма простую формулу , учитывающую только местные потери напора от наличия дросселя и заслонок ,

(2.18)

где

k_ж-отношение площадей поперечного сечения бортового отсека и жидкостного соединительного канала, равного в среднем 3-4;

k_в-тоже для воздушного соединительного канала ( в практике 30-40);

λ_дж, λ_дв-коэффициенты сопротивления дросселя и заслонок жидкостного и воздушного соединительных каналов, зависящие от угла их раскрытия.

Таблица 2.1 Коэффициенты сопротивления дросселя и заслонки.

Угол поворота (град)	Коэффициент сопротивления
5	0,24
15	0,9
25	2,61
35	6,22
45	18,7
55	58,8
65	255
70	751

Безразмерный коэффициент сопротивления для жидкости цистерн выражается формулой

(2.19)

Ясно, что рассчитать точно необходимый коэффициент сопротивления для каждого режима качки невозможно, поэтому окончательный его подбор осуществляется опытным путем.

Влияние пассивных цистерн 1 рода на поперечную остойчивость судна.

Для оценки остойчивости судна , снабженного пассивными цистернами 1 рода , необходимо рассмотреть поведение системы судно- цистерна в случае приложения статического кренящего момента.

В первом случае в формулах (2.11) положим =0. Тогда

; ; ; _(2.20)

_{Подставляя (2.20) в (2.10) , получим}

(2.21)

где

- относительное изменение статической остойчивости судна от наличия свободных поверхностей жидкости в цистернах.

Полученные формулы показывают, что пассивные закрытые цистерны изменяют остойчивость судна как обычные свободные поверхностные жидкости, расположенной в сообщающихся бортовых отсеках цистерн.

Для более точной оценки потери остойчивости в различных случаях статического наклонения рекомендуется пользоваться формулами Благовещенского С.Н. Данные формулы справедливы при , имеют вид:

Для ординат диаграммы статической остойчивости

_(2.22)

Для уменьшения начальной остойчивости

(2.23)

Ординаты диаграммы остойчивости при крене

(2.24)