5.2.3. Принципы действия некоторых наиболее распространенных типов успокоителей

Скуловые кили.

Скуловые кили - это длинные пластины, устанавливаемые в районе скулы по линии тока (рис.5.6). Представляя весьма простую конструкцию, не зани­мающую полезных объемов внутри корабля, и создавая вместе с тем заметный успокоительный эффект, скуловые кили получили самое широкое распространение и в настоящее время применяются во всех фло­тах мира.

Действие скуловых килей заключается в искусственном увеличении сопротивления качке, поэтому оно проявляется наиболее эффективно при больших амплитудах качки в зоне резонанса.

^{Рис. 5.6. Скуловые кили}

Обычно суммарная площадь скуловых килей берется от 2 до 4% от LВ, высота килей от 0,3 до 1,2 м в зависимости от типа корабля, в сред­нем 3-5% от ширины корабля. Длина их обычно составляет от 25 до 75% от длины корабля. Место установки - скуловое закругление, при­чем так, чтобы кили не выступали за габариты миделя. Линия киля должна быть согласована с линией тока струй, определяемой испы­таниями модели.

Конструктивно кили выполняются в виде листа, установленного на ребро. При высоте киля, превышающей 400 мм, на свободную кромку листа ставится полосовое или полукруглое железо. При высоте киля более 600 мм киль выполняется в виде двугранника, внутрь которого для жесткости ввариваются ребра.

Влияние боковых килей на скорость хода судна невелико. Для быстроходных кораблей уменьшение скорости на тихой воде не превос­ходит 2-3%. На волнении же это уменьшение скорости еще меньше.

Боковые управляемые рули.

Боковые управляемые рули представляют крылья малого удлине­ния, которые выступают с обоих бортов из обшивки корабля и могут поворачиваться на баллерах (рис. 5.7). Баллеры через водонепроницаемые саль­ники проходят внутрь корпуса судна и вращаются при помощи спе­циального автоматически управляемого привода.

Рис.5.7. Боковые управляемые рули

Пусть корабль идет со скоростью v. При отклонении правого руля на угол ψ от среднего положения на нем развивается подъемная сила Р. Если на левом борту корабля симметрично расположен руль, отклоненный на такой же угол ψ, но в противоположную сторону, то на нем также должна развиться подъемная сила Р, однако направленная книзу (рис. 5.8). При этом возникает момент, который можно сделать противоположным по направлению возмущающему (в противофазе). Частота перекладки рулей делается равной частоте возмущающего момента, т.е. успокоитель можно настраивать. Управление перекладкой производится автоматически.

Эффективность таких успокоителей хорошая, но они занимают много места и очень дороги, поэтому применяются обычно на больших пассажирских лайнерах, совершающих плавание через океан.

Крупный недостаток этих успокоителей – это слабая эффективность на малых скоростях и невозможность работы на стоянке.

Рис. 5.8. Силы, возникающие на боковых рулях

Успокоительные цистерны.

Первыми успокоителями жидкостного типа были плоские цистерны, в которых находилась жидкость со свободной поверхностью (рис.5.9). За счет свободной поверхности уменьшалась остойчивость корабля, увеличивался период его свободных колебаний, и для корабля, расположенного лагом к волне, резонанс смещался в сторону более длинных, а сле­довательно, и менее крутых волн. Кроме того, поскольку длинные волны на нерегулярном волнении обладают меньшей повторяемостью, чем короткие, уменьша­лась вероятность наступления резонансного режима.

Рис.5.9. Плоские успокоительные цистерны

Дальнейшим развитием жидкостных успокои­телей являются пассивные цистерны. Они представляют своего рода гидравлический маятник, состоящий из соединенных между собой цистерн, расположенных у бортов корабля.

Различают цистерны первого и вто­рого рода. Цистерны первого рода (за­крытые) соединяются снизу жидкостным, а сверху воздушным каналами (рис. 5.10). У цистерн второго рода (открытых) так­же имеется воздушный канал, а вместо водяного канала делают отверстия в бортах, и жидкостное сообщение осу­ществляется через забортную воду (рис. 5.11). Та­ким образом, цистерны первого рода в случае необходимости могут быть использованы как топливные, а для цистерн второго рода такая возможность отсутствует.

Рис. 5.10. Пассивные цистерны первого рода Рис.5.11. Пассивные цистерны второго рода

Стабилизирующее действие пассивных цистерн основано на прин­ципе так называемого вторичного (или двойного) резонанса. Суть этого принципа заключается в следующем. При резонансе бортовой качки вынужденные колебания корабля отстают по фазе от возмущающей силы на 90°. Если период собст­венных колебаний жидкости в цистернах равен периоду собствен­ных колебаний корабля, то здесь также имеет место резонанс (вто­ричный) и колебания жидкости, в свою очередь, отстают на 90° от колебаний корабля. Таким образом, в рассматриваемом случае сдвиг фаз между колебаниями жидкости в цистернах и возмущаю­щим действием волны составляет 180°, в результате чего и создается стабилизирующий момент.

В настоящее время пассивные цистерны применяют редко из-за низкой эффективности на нерегулярном волнении, увеличения амплитуд качки в нерезонансных условиях, снижения грузоподъем­ности и грузовместимости и других недостатков. Кроме того, от­крытые цистерны заметно снижают скорость корабля, так как часть мощности силовой установки расходуется на придание вте­кающей воде кинетической энергии, которая при вытекании без­возвратно теряется.

Активизация цистерн может быть достигнута установкой компрессора в воздушном канале или насоса переменной производитель­ности в жидкостном. Компрессор может ставиться как в открытых, так и в закрытых цистернах, а насос, перекачи­вающий жидкость из цистерны в цистерну - только в закры­тых.

Активные цистерны оказываются значительно эффективнее пас­сивных. Они создают стабилизирующий момент не только при ре­зонансе, но и при любом соотношении частот, что играет существенную роль в условиях нерегулярного волнения. Их можно использовать для стабилизации корабля, имеющего статический крен, для раскачки на тихой воде и т. п. Од­нако вследствие своей сложности, боль­шой стоимости, необходимости затрачи­вать мощность, чтобы привести в дви­жение стабилизирующую жидкость, высоких требований к системе автоматического управления, активные ци­стерны на кораблях устанавливаются редко.

Чаще, чем пассивные цистерны, при­меняют другой вид успокоителей гравита­ционного типа - цистерны типа «Флюм» (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Цистерны типа «Флюм»

«Флюм» - система состоит из двух бортовых цистерн, соединенных каналом, высота которого одинакова с высотой цистерн. В средней части канал имеет уширенный отсек. Цистерны и канал заполняются жидкостью так, что в них всегда имеется свобод­ная поверхность. Систему проектируют таким образом, чтобы пе­риод свободных колебаний стабилизирующей жидкости равнялся периоду свободных колебаний корабля при некотором характер­ном для условий его эксплуатации состоянии нагрузки. Изменение уровня налива жидкости на периоде ее свободных колебаний от­ражается слабо. Таким образом, цистерны типа «Флюм» сочетают в себе свойства, присущие плоским цистернам, уменьшающим остой­чивость, и пассивным цистернам закрытого типа, стабилизирую­щий эффект которых основан на принципе вторичного резонанса. Поток жидкости в этих цистернах по меньшей мере дважды резко изменяет площадь своего сечения, испытывая внезапное сужение и расширение. При этом поток теряет часть своей кинетической энергии, т. е. имеет место демпфирование колебаний стабилизирующей жидкости. Это, с одной стороны, ослабляет нежелательные удары жидкости в крышки цистерн, а с другой, уменьшает их раскачивающее воздействие при нерезонансных режимах.