2.2 Активные цистерны первого рода

При активизации, допускающей относительную свободу жидкости в цистерне уравнения движения системы судно–цистерна имеют вид:

.

_(2.25)

– амплитуда удельной силы активизации;

А_а– амплитуда силы активизации; – фаза.

Правая часть системы алгебраических уравнений относительно неизвестных θ₁, θ₂, Z₁, Z₂ будет иметь вид:

(2.26)

Левая часть будет такая же как и у пассивной .цистерны I рода.

Решая систему методом комплексных чисел можно определить:

; (2.27)

где

;

;

; (2.28)

.

; ; .

Полученные выражения могут служить основанием для формулирования критериев выгодности активизации цистерн. Активизация цистерн может считаться рентабельной лишь в том случае, если эффективность умерения качки с их помощью окажется существенно более высокой, чем в случае пассивных цистерн.

Поэтому основное условие выгодности сводится к неравенству , где θ_m1– амплитуда бортовой качки судна с пассивной цистерной [4,5].

С учётом принятых обозначений это неравенство сводится к следующему

. (2.29)

После простых преобразований получим:

(2.30)

Отсюда критическое значение при имеет вид

. (2.31)

Полученное условие является определяющим, причем в случае резонанса оно даст:

(2.32)

Здесь – удельная статическая характеристика цистерн.

Чем ближе φ_уд к β, тем труднее осуществить активизацию, и если φ_уд= β активизация вообще не имеет смысла.

В качестве активизаторов цистерн наиболее часто употребляются турбовоздуходувки и насосы переменной производительности. Получим расчетные характеристики активизатора.

Из теории насосов известна формула для определения мгновенной полезной мощности:

, (2.33)

– производительность насоса; –напор насоса.

С другой стороны

(2.34)

Приравнивая (2.33) и (2.34) получим

_(2.35).

После подстановки выражения для можно легко найти необходимое значение напора:

. (2.36)

Подставляя сюда второе уравнение системы (2.25), получим выражение для необходимого динамического напора активизатора:

(2.37)

Выражение (2.37) связывает значение напора с параметрами движения системы. Мощность привода с учетом (2.37) будет

(2.38)

Если движение установившееся , то могут быть найдены расчетные формулы для расхода , напора и мгновенной мощности .

;

;

. (2.39) .

; .

Анализ полученных выражений показывает, что величина наибольшего напора активизатора близка к двойной амплитуде колебаний жидкости. Наибольшая производительность активизатора равна . Тогда средние значения определяются из формул

Нср=1,28Zma; Qcр=0,64ZmaωFo. (2.40)

По этим величинам могут предварительно подбираться активизаторы цистерн.

Рис.2.4 Активная цистерна 1 рода

При проектировании цистерн первого рода (как пассивных, так и активных) всеми средствами стремятся к уменьшению коэффициента β, характеризующего собой интенсивность инерционной связи между системой судно – успокоитель. Наиболее радикальным из таких средств является приближение цистерн к центру тяжести судна. Если цистерны удается поднять выше ЦТ судна, то динамическая поправка может изменить даже свой знак и тогда цистерна значительно улучшится.

Частичная активизация цистерн.

Частичная активизация цистерн может быть осуществлена по-разному. Наиболее просто она достигается, если активные цистерны комбинировать с пассивными. В этом случае используется фрамовское действие цистерн, позволяющее достигать высокой эффективности умерения качки в области резонанса; активизация же улучшает действие цистерн в до- и зарезонансных зонах качки. Расчет таких цистерн проводят с использованием метода наложения, т.е. сложения эффектов от действия пассивных и активных цистерн. Можно рекомендовать устанавливать соотношение между статическими характеристиками активных и пассивных цистерн 1: 2.

Другой способ частичной активизации цистерн состоит в применении искусственного управления воздухораспределительными клапанами, чтобы увеличить полезную работу сил тяжести. Для таких целей приемлемы цистерны, имеющие малый период собственных колебаний. Жидкость этих цистерн при качке судна перетекает таким образом, что ее свободный уровень как бы поворачивается в пространстве параллельно поверхности волны.

Воздушные каналы цистерн полностью перекрываются в моменты, отвечающие наибольшим углам крена судна, когда жидкость занимает крайнее положение , и остаются в таком состоянии до выравнивания судна. Когда же они открываются, то жидкость в бортовых отсеках стремится быстро уравняться. С достижением судном наибольшего крена на противоположный борт клапаны снова перекрываются, и весь цикл повторяется.

При закрытых клапанах, благодаря малой растяжимости воздушной подушки, жидкость в поднимающейся цистерне увлекается вверх и своим весом совершает работу, проявляющуюся как своеобразное демпфирование. Действие описанных цистерн сводится к приложению к судну нелинейного стабилизирующего момента, изменяющегося, примерно, в противофазе угловой скорости качки. Идея применения таких цистерн , называемых также управляемыми, сформулирована М.Д. Агеевым.

На рис.2.5 изображен успокоитель фирмы «Интеринг» , устанавливаемый на паромах , ледокольно-спасательных и других судах [3]. Особенностью системы является возможность использования ее как в качестве противокреновой в процессе проведения погрузочно-разгрузочных работ, так и в качестве успокоительной при качке судна на волнении. В первом случае вода из одной бортовой ветви в другую перемещается с помощью сжатого воздуха, подаваемого компрессором в верхнюю полость цистерны правого или левого борта. Перемещение воды с борта на борт происходит примерно за 3 мин, поэтому производительность компрессора невелика. Угол крена судна при этом контролируется с помощью маятника , перекрывающего одну из воздушных насадок, расположенных по его сторонам. Насадки управляют специальными клапанами, перекрывающими или пропускающими воздушный поток. При качке на волнении перемещение воды из одного крайнего положения в другое должно происходить значительно быстрее- за время , не превышающее половину периода качки судна, поэтому компрессор становится бесполезным и отключается. Цистерна работает как обычная пассивная, но в крайнем положении водя задерживается путем перекрытия воздушного канала большими клапанами, управляемыми пневматическими цилиндрами. Сигнал для управления клапанами вырабатывается в двух U –образных трубках, каждая из которых содержит около 1 л воды и работает как миниатюрная цистерна Фрама. В верхнюю часть трубок вмонтированы жидкостные элементы, реагирующие на изменение давления в них. Этот сигнал через систему специальных усилителей подается на пневматические цилиндры. Система управления измеряет также скорость бортовой качки, а ЭВМ, установленная на борту судна, определяет оптимальный момент открытия и закрытия клапанов.

Натурные испытания цистерн этого типа, установленных на ледокольно- спасательном судне, показали, что успокоитель обеспечивает умерение бортовой качки примерно в 1,7 раза , т.е. обладает практически такой же эффективностью, что и хорошо спроектированные пассивные цистерны.

Рис.2.5 Схема успокоительной цистерны фирмы Интеринг.1-главный клапан цистерны, 2-цилиндр с перепускным клапаном, 3-воздушные насадки,4-маятник,5-меритильные трубки 6-жидкостный комплекс.