Лаб 3

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Р. Е. АЛЕКСЕЕВА

Кафедра «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов»

Курс «Океанотехника»

Отчёт по лабораторной работе №3

Исследование начальной остойчивости плавучей полупогружной буровой установки

Выполнил:
Группа:
Проверил:	Савинов В. Н.

Нижний Новгород

2022 год

Цель работы

Ознакомление студентов с особенностями остойчивости плавучих полупогружных буровых установок (ППБУ) и их поведения на взволнованной поверхности моря, изучение основных положений теории и расчета, а также ознакомление с методикой постановки эксперимента по определению парамет­ров начальной остойчивости плавучих технических средств для освоения шельфа.

Краткие сведения из теории

Среди большого разнообразия различных геометрических форм ППБУ в настоящее время наибольшее распространение получили установки катамаранного типа, для которых характерно наличие двух горизонтальных подводных понтонов значительного водоизмещения с установленными на них вертикальными относительно тонкими стабилизирующими колоннами [1,3]. В процессе эксплуатации установка может находиться в двух основных положениях: "походном" и "рабочем", которые показаны на рис. 1.

Рис.1. Походное (а) и рабочее (б) положения ППБУ;

характерные точки G, С и М - центры тяжести, величины и метацентр соответственно

Важнейшим параметром, оп­ределяющим остойчивость любого плавающего объекта, является начальная метацентрическая высота:

h = z_м - z_g,

где: z_м – аппликата поперечного метацентра;

z_g – аппликата центра тяже­сти плавающего объекта.

Величина z_м в свою очередь определяется зависимостью

z_м = r + z_c,

где r = I_x / V – малый начальный метацентрический радиус;

z_c – аппликата центра величины:

I_x – момент инерции площади действующей ватерлинии относительно центральной продольной оси х;

V – объемное водоизмещение.

Величина возму­щающего момента М_В, действующего со стороны волнения на любой пла­вающий объект, в простейшем случае определяется зависимостью:

М_В = _Dh,

где: _ – редукционный коэффициент, учитывающий взаимное соотношение размеров корпуса судна в волнения;

D – весовое водоизмещение судна;

 – угол волнового склона.

Величина начальной метацентрической высоты определяет еще и такой важный параметр, как период собственных колебаний бортовой качки. Из­вестно, что простейшая формула для его определения имеет вид:

где: I_x – момент инерции массы ППБУ относительно центральной продольной оси;

₄₄ – момент инерции присоединенной массы жидкости при борто­вой качке.

Величина вертикальной возмущающей силы f_b, действующей на пла­вающие объекты при изменении уровня волновой поверхности и вызываю­щей их вертикальную качку, определяется зависимостью

f_b = _·s ·,

где: _ – редукционный коэффициент;

 – удельный вес морской воды;

S – площадь действующей ватерлинии,

 – ордината волновой поверхности в районе ДП установки.

Величина S определяет период собственных колебаний вертикальной качки, который также может быть найден по следующей приближенной фор­муле:

где: М – масса ППБУ;

₃₃ – присоединенная масса жидкости при вертикаль­ной качке.

Описание лабораторной установки

На рис.2 показана геометрическая форма модели, которая обладает всеми отличительными признаками ППБУ: на двух продольных горизон­тальных понтонах установлены 4 вертикальные стабилизирующие колонны с относительно небольшой площадью поперечного сечения. Все элементы кон­струкции жестко соединены сверху палубными связями.

Главные размерения и основные характеристики модели ППБУ:

Длина понтонов		L = 10.2 дм
Ширина понтонов		В = 1.70 дм
Высота борта понтонов		Н = 0.68 дм
Размеры сечения стабилизирующих колонн		а  b = 1.40  1.36 дм
Расстояния между стабилизирующими колоннами:
	В продольном направлении	I1 = 5.2 дм
	В поперечном направлении	I2 = 4.6 дм
Плечо переноса грузов:		c1 = 3.3 дм

Рис.2. Схема конструкции модели ППБУ

Проведение работы и обработка результатов

Рис.4. Опыт кренования ППБУ:

а - исходное положение кренящих гру­зов; б - угол крена ₁ при переносе кренящих грузов в рабочем положении

Опыт кренования выполняют дважды – для походного и рабочего положения.

Для определения центра тяжести модели z_g проводится проводится аналогичный опыт на воздухе.

Рис.5. Определение положения центра тяжести модели методом наклонения

Опыт 1 (походное положение):

m_модели = M₁ = 14,7 кг – масса модели;

m_гр = 1,074 кг – масса переносимого груза.

Определяем осредненный угол крена :

,

где: n = 1 – число замеров;

L₀ = 500 мм – длина отвеса;

рад

Рассчитываем метацентрический коэффициент поперечной остойчивости:

, Н·дм,

где: – масса кренящего груза, кг;

С_i =5,6 плечо переноса, дм;

g – ускорение свободного падения.

Н·дм

Определим экспериментальную величину поперечной метацентрической высоты в походном положении:

, дм,

дм,

Определим положение центра тяжести модели в походном (z_g1) положении:

, дм

где: z = 2.65 дм – отстояние оси подвеса от ДП;

М – масса модели (М₁, М₂);

 = b_i/L₀ – угол наклонения, рад;

_ = b₁/L₀ = 15/ 500 = 0,03 рад;

дм;

Находим аппликаты поперечного метацентра в походном положении (снимаем с гидростатических кривых): z_М1 = 11.5 дм;

Определим теоретическое значение метацентрической высоты в походном положении:

дм.

Опыт 2 (рабочее положение):

m_модели= M₂ = 28,75 кг – масса модели;

m_гр = 0,214 кг – масса переносимого груза.

Осредненный угол крена равен:

рад

Метацентрический коэффициент поперечной остойчивости равен:

Н·дм

Экспериментальная величина поперечной метацентрической высоты в рабочем положении равна:

дм

Определим положение центра тяжести модели в рабочем (z_g2) положении:

_ = b₂/L₀ = 3 / 500 = 0,006 рад;

дм.

Находим аппликаты поперечного метацентра в походном положении (снимаем с гидростатических кривых): z_M2= 2,5 дм.

Определим теоретическое значение метацентрической высоты в рабочем положении:

дм.

Вывод: Специфическая форма корпуса ППБУ значительно уменьшает начальную метацентрическую высоту в рабочем положении, что приводит к снижению интенсивности волновых воздействий во время шторма.