В россии показали пневматический активный успокоитель качки. Особенности испытания судов, снабженных успокоителями бортовой качки На военных кораблях есть успокоители качки

Тема 2.1 Качка.

Успокоители качки.

Пассивные успокоители. К числу пассивных успокоителей качки относятся скуловые кили и пассивные успокоительные цистерны .

Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством умерения бортовой качки и потому находят самое широкое применение. стабилизирующее действие скуловых килей обусловлено ростом демпфирующего момента, создаваемого дополнительными силами сопротивления качке, которые наиболее ощутимы при резонансе. Кроме того, при качке на килях правого и левого бортов, как на крыльях, возникают подъемные силы противоположного направления, создающие дополнительный стабилизирующий момент.

В конструктивном отношении скуловые кили (Рис.51) представляют собой пластины, установленные вдоль судна в районе скулы. Кили располагают так, чтобы они не выходили за габариты судна. Суммарная площадь килей на обоих бортах составляет от 3% до 6% произведения LB. Эффективность бортовых килей в большой степени зависит от удачно выбранного отношения их ширины к протяженности. Ширина Рис.51 Скуловые кили. килей колеблется в пределах от 200 до 1200 мм. В среднем

отношение ширины килей к ширине судна составляет 0,03 – 0,05, а их длина к длине судна – 0,25 – 0,60. Установка килей большей площади приводит к уменьшению амплитуды резонансной качки на 45 – 50%. В условиях нерегулярного волнения бортовые кили нормальной площади уменьшают амплитуду бортовой качки в среднем на 20 – 30%.

Пассивные успокоительные цистерны. Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого , не сообщающегося с забортной водой (цистерны первого рода) (Рис. 52а), и открытого , сообщающегося с забортной водой (цистерны второго рода) (Рис. 52б). Они представляют собой две плоские бортовые цистерны, расположенные поперек судна. Цистерны на половину заполнены водой (у цистерн 1 рода – иногда топливом) и соединены каналами. Цистерны 1 рода имеют два канала – водяной (внизу) и воздушный (вверху). снабженный клапаном. У цистерн второго рода водяной соединительный канал отсутствует, т.к. в бортовых стенках имеются отверстия, которые сообщаются с забортной водой.

Принцип действия таких цистерн основан на создании стабилизирующего момента за счет перемещения массы жидкости из одного бортового отсека в другой. Перемещение жидкости вызывается качкой судна и не требуют дополнительных энергетических Рис. 52 Пассивные успокоительные цистерны: затрат. Подбором элементов цистерн, 1 – бортовые цистерны; 2 – воздушный канал размеров каналов и регулировкой 3 – клапан; 4 – водяной канал. клапана можно добиться равенства

периода колебаний жидкости в цистернах и периода собственных колебаний судна. Вследствие этого при резонансной качке возникает явление двойного резонанса: судно отстает по фазе от колебаний волны на 90 0 , а жидкость в цистернах – на 90 0 от колебаний судна. Суммарное отставание по фазе составляет 180 0 , цистерны работают в противофазе с водой (Рис.53), а возникающий стабилизирующий момент оказывается противоположным по знаку возмущающему моменту и противодействует наклонению судна.

Пассивные успокоительные цистерны наиболее эффективны при резонансной качке и менее эффективны на нерезонансных волнах. При некоторых условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут привести к увеличению амплитуд качки.

Рис. 53 Последовательное положение воды в успокоительных цистернах при резонансной

качке судна.

Наличие свободной поверхности жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время практически не применяются.

Активные успокоители. К активным успокоителям качки относятсябортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и гироскопические успокоители – стабилизаторы .

Бортовые управляемые рули являются весьма эффективным средством умерения

бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и особенно на пассажирских судах. Они представляют собой крылья малого удлинения, которые устанавливаются по бортам судна в районе скуловой части. Крылья размещены на специальных приводах, обеспечивающих изменение углов атаки по определенному закону, выдвижение их из корпуса и уборку внутрь корпуса(Рис. 54). Размеры и площадь управляемых рулей определяют путем соответствующего расчета в зависимости от наименьшей скорости судна, при которой предлагают их использовать.

Принцип действия бортовых управляемых рулей основан на возникновении стабилизирующего момента, противодействующего качке, путем надлежащей перекладки рулей. Стабилизирующий момент создается подъемными силами, образующимися на рулях правого и левого бортов при их обтекании потоком.

При положении, когда судно кренится с левого Рис. 54 Управляемые бортовые рули. борта на правый, а рули переложены так, что

хвостовая часть руля правого борта опущена вниз, а хвостовая часть левого борта поднята кверху, то в таком положении на руле правого борта возникает подъемная сила, направленная вверх, а на руле левого борта – подъемная сила, направленная вниз. Благодаря этому создается момент, противодействующий размаху качки.

Управление приводами рулей осуществляется комплексом специальных автоматических приборов, которые обеспечивают непрерывное измерение гироскопическими датчиками параметров качки судна (угла крена, угловой скорости и углового ускорения), вычисление подъемной силы и угла атаки руля и последующую подачу

команд на гидравлический привод, который обеспечивает необходимую перекладку рулей. Пост управления всей системой находится на мостике судна, а блоки силовых и исполнительных механизмов – в непосредственной близости от рулей в машинном отделении.

Эффективность работы бортовых управляемых рулей зависит от скорости судна, поскольку силы, создаваемые каждым рулем, пропорциональны квадрату скорости набегающего потока. Практика показала, что целесообразно применять бортовые рули при скоростях, превышающих 10 – 15 уз.

Вопросы для самоконтроля:

1.Для чего на судне устанавливают успокоители качки?

2.На какие виды делятся успокоители качки?

3.Что представляют собой скуловые кили и их принцип действия?

4.Конструкция и принцип действия пассивных успокоительных цистерн?

5.Какие средства относятся к активным успокоителям качки?

6.Что представляют собой бортовые управляемые рули и их принцип действия?

Тема 2.2. Ходкость судна

2.2.1 типы судовых движителей и принцип их работы.

На морских судах чаще всего используют винты фиксированного шага (ВФШ) или виты регулируемого шага (ВРШ).

Гребной винт (ВФШ) представляет собой систему лопастей (от 2 до 8), каждая из которых является участком винтовой поверхности. Поверхность лопастей, обращенная в нос, называется засасывающей,. Поверхность, обращенная в корму – нагнетающей . Передняя кромка лопастей называется входящей, задняя – выходящей. ВФШ бывают цельнолитые и со съемными лопастями. Они делятся на винты левого и правого вращения. Винт правого вращения на переднем ходу, если смотреть с кормы, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения – наоборот.

Сила упора, создаваемая винтом при его вращении с заданной частотой, зависит от его основных геометрических характеристик,

1. D В диаметр винта - диаметр окружности, описываемой наиболее удаленными точками лопастей (до 5 метров);

2. H геометрический шаг винта – линейное расстояние по оси винта, которое проходила бы ступица за один полный оборот при вращении в плотной среде. (величина шагового отношения H/D колеблется 0.8 – 1.8)

3. Θ дисковое отношение Θ= А/А d - для тихоходных судов ≈0.35

для быстроходных ≈ 1.2

А – суммарная площадь спрямленной поверхности всех лопастей винта;

А d – площадь круга, ометаемого гребным винтом при его вращении.

4. Z число лопастей.

а так же от скорости самого судна.

Существенное влияние на силу упора винта оказывает взаимодействие винта с корпусом судна. Силу упора без учета такого взаимодействия называют упором изолированного винта. С учетом такого взаимодействия – полезным упором или тягой . Для ВФШ изменение направления упора достигается реверсированием двигателя. ВФШ имеет максимальный коэффициент полезного действия только при одном режиме движения (как правило, полный передний ход).

В отличии от гребных винтов фиксированного шага, винты регулируемого шага (ВРШ) имеют в ступице приводной механизм, с помощью которого осуществляется разворот лопастей от положения «ППХ» до положения «ПЗХ». Таким образом, без изменения направления вращения ГД, осуществляется изменение не только величины, но и направление упора винта. ВРШ могут быть трехлопастными и четырехлопастными. В последнем случае лопасти располагаются по парно и смещены вдоль оси винта (ВРШ типа «тендем»). Угол разворота лопастей при переходе с ППХ на ПЗХ составляет 40 – 50 0 . Время разворота лопастей ВРШ составляет 10 – 15 сек.. Использование ВРШ позволяет получить полную мощность ГД на режимах, отличных от расчетных, обеспечивает увеличение скорости судна и экономичность работы его двигательной установки.. ВРШ развивает значительно большую тягу на малых ходах и на 40 – 50% сокращает время и длину тормозного пути. Установка ВРШ позволяет осуществлять дистанционное управление судном и использовать на реверсивные двигатели, что значительно повышает их моторесурс. К недостаткам ВРШ следует отнести сложность конструкции как самого винта, так и валопровода, их большую, по сравнению с ВФШ, чувствительность к ударным нагрузкам.

Вопросы для самоконтроля:

12. Какие типы движителей используются на морских судах?

13. Что представляет собой гребной винт (ВФШ)?

14. От чего зависит сила упора, создаваемая ВФШ при его вращении с заданной частотой?

15. Что собой представляет и как осуществляется разворот регулируемого винта (ВРШ)?

Тема 2.3. Управляемость.

2.3.2 Крен судна на циркуляции .

Если на судне, идущем прямым курсом, внезапно переложить руль, то в первый момент после начала перекладки траектория движения судна искривится в направлении. обратном направлению перекладки руля. В этот момент на судно действуют следующие силы (Рис.55а):

Рис. 55 а – схема сил, накреняющих б – схема сил, накреняющих судно

судно после начала перекладки руля. в период установившейся циркуляции.

Р у – поперечная составляющая сил, действующих на руль;

R y – поперечная составляющая сил, действующих на погруженную часть корпуса судна;

F ц – поперечная составляющая центробежных сил инерции судна, линия действия этой

силы направлена в сторону поворота судна;

Сила Р у приложена в центре давления руля, возвышение которого над основной плоскостью определяется аппликатой z′ d ; сила R y приложена на высоте z d , а сила F ц – в центре тяжести судна, определяемом аппликатой z g .

Момент центробежной силы F ц вызывает небольшой крен на тот борт, на который переложен руль (моментом силы R y пренебрегаем в виду малым действием этой силы в начальной стадии циркуляции). Этот крен усиливается моментом силы Р у , действующей на руль.

Итак, в первый момент после перекладки руля судно будет крениться на тот борт, на который переложен руль, т.е. внутрь циркуляции.

По мере изменения кривизны траектории центробежная сила уменьшается, а затем меняет знак, т.е. изменяет направление действия на противоположное (Рис.55б). Одновременно происходит нарастание момента от силы R y вследствие увеличения угла дрейфа и уменьшения момента от силы Р у из – за снижения скорости судна. В результате изменения характера действия указанных сил и моментов судно сначала выпрямляется, а затем начинает крениться в сторону, обратную направлению перекладки руля, причем наклонение судна оказывается тем больше, чем больше был угол крена в сторону перекладки руля. Изменение направления крена носит динамический характер.

Максимальное наклонение в сторону, обратную направлению перекладки руля, называют динамическим углом крена судна на циркуляции .

При дальнейшем движении судна угол крена уменьшается. Судно делает одно – два колебания, и после того как элементы движения устанавливаются, угол крена приобретает некоторое постоянное значение на установившейся циркуляции. Этот угол совпадает по знаку с динамическим углом крена, но последний, как правило, превышает угол крена на установившейся циркуляции в 1,5 – 2,0 раза.

Морской Регистр в действующих «Правилах классификации и постройки морских судов» предписывает определять кренящий момент на циркуляции по формуле:

m кр = 0,238 (z g ) (2.3)

где: – масса судна с учетом присоединенной массы воды. участвующей в движении, т;

Скорость судна при выходе на циркуляцию, равная 80% скорости полного хода;

Длина судна.

Отсюда после соответствующих преобразований получим формулу для определения

угла крена на установившейся циркуляции:

θ 0 1,4 (z g ) (2.3.1)

Выражение (2.3.1), представляющее известную формулу Г.А. Фирсова, показывает, что угол крена, возрастающий пропорционально квадрату скорости при выходе на циркуляцию, обратно пропорционален метацентрической высоте h .

Расчеты дают хорошие результаты для транспортных морских судов, диаметр циркуляции которых обычно не превышает пяти длин судна при максимальном угле перекладки руля.

Согласно «Правилам классификации и постройки морских судов» морского Регистра», угол крена пассажирских судов от совместного действия кренящих моментов, возникших в результате скопления пассажиров на одном борту и действия внешних сил на установившейся циркуляции, не должен превышать 3 / 4 угла заливания или угла, при котором палуба надводного борта входит в воду или скула выходит из воды – смотря по тому, какой угол меньше; во всяком случае угол крена не должен превышать 12 0 .

Вопросы для самоконтроля:

1. Какие силы действуют на судно при перекладке руля на циркуляции?

2. Как действуют силы, накреняющие судно после начала перекладки руля и в период

установившейся циркуляции?

3. Как определяется кренящий момент на циркуляции, предписанный Регистром судоходства?

4. Как определяется угол крена на установившейся циркуляции?

5.Требования Регистра судоходства о максимальной величине угла крена у пассажирских судов?

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ф.Н. Белан, А.М. Чудновский.Основы теории судна. – Л: Судостроение, 1978

2. И.И.Бендус. Теория и устройство судна.Часть 1.2-е изд. перераб.и доп.-Керчь.:КГМТУ, 2006

3. В.Д. Кулагин. Теория и устройство промысловых судов.- Л.; Судостроение, 19861. Л.Р. Аксюткин. Контроль остойчивости морских судов.- Одесса:Фенікс,2003

4. А.М. Горячов,Е.М. Подругин. Устройство и основы теории морских судов.- Л.;Судостроение,1981

5. Судовые документи: БМРТ « Николай Островский » , РТМА « Прометей »

6. В.Л. Фукельман. Основы теории корабля.- Л.;Судостроение,1977

ПРИЛОЖЕНИЕ I.

Понятие об остойчивости судна

При плавании в море на суда постоянно воздействуют различные кренящие нагрузки и в первую очередь ветер и волнение. Каким же образом может сравнитель­но небольшое судно противостоять шквальному ветру и обрушивающимся на палубу волнам, накреняясь то на правый, то на левый борт, но не опрокидываясь? Ответ па эти вопросы дает учение об остойчивости.

Остойчивостью называется способность судна, выве­денного из положения равновесия воздействием внеш­них кренящих нагрузок, вновь возвращаться в первона­чальное положение после прекращения этого воздейст­вия.

Остойчивость - одно из основных мореходных ка­честв, сохранение и поддержание ее является важней­шей задачей экипажа судна.

Термин «остойчивость» произошел от понятия об устойчивости равновесия тел, однако он имеет более ши­рокий смысл. При рассмотрении устойчивости обычно имеют в виду только малые отклонения от положения равновесия, а при рассмотрении остойчивости судна - как малые, так и большие. Отклонение судна от равно­весного положения в поперечной плоскости называется креном, в продольной - дифферентом.

Различают остойчивость при малых наклонениях (начальную) и остойчивость на больших углах крена. Выделение начальной остойчивости в самостоятельный раздел позволяет ввести ряд допущений, значительно упрощающих математические зависимости при ре­шении различных практических задач. Формулы началь­ной остойчивости могут быть применены до углов крена, соответствующих входу кромки палубы в воду в том случае, если скула не выходит из воды. Эти углы для обычных судов составляют 8-12° и более. Формулы начальной остойчивости следует рассматривать как частный случай зависимостей, относящихся к остойчи­вости на больших углах крена.

При рассмотрении остойчивости подразумевается, что судно наклоняется под действием пары сил; величи­на силы поддержания не изменяется. При этом объем подводной части сохраняется постоянным, а меняется только ее форма. Такие наклонения и соответствующие им ватерлинии, отсекающие одинаковые объемы, назы­ваются равнообъсмными. В задачах о начальной остой­чивости равнообъемные ватерлинии проводят через центр тяжести исходной ватерлинии.

Однажды при входе в порт Кале он совсем отказался повиноваться рулевому.

С полного хода врезался «Бессемер» в каменный мол. Его носовая часть превратилась в кашу из обломков.

Бессемер не стал чинить свой пароход. Он потерял навсегда всякий интерес к кораблестроению.

После Бессемера немало изобретателей и ученых работало над созданием успокоителей качки. Было предложено множество различных систем. Но только Макаров (1848-1904). немногие из них получили право на жизнь и на широкое применение.

Очень интересный тип успокоителя качки для военных кораблей был разработан в 1894 году выдающимся флотоводцем и ученым- адмиралом Степаном Осиповичем Макаровым.

Успокоитель Макарова выгодно отличался от успокоителей других систем простотой и дешевизной своего устройства и в то же время сильным противодействием качке. Впоследствии появился усовершенствованный и приспособленный для торговых судов успокоитель Фрама. Его устройство состоит из двух цистерн, выгороженных по бортам парохода. По высоте они расположены между днищем и палубой. Длина их не более десяти метров. Цистерны соединены трубой или каналом, проложенным по днищу. Получается вроде сообщающихся сосудов, у которых вода налита до половины высоты. Наверху цистерны сообщаются между собой воздушной трубой. Посредине трубы установлен регулирующий клапан. Через него можно перепускать сжатый воздух то в одну, то в другую цистерну. Как же действует такой успокоитель?

Представьте себе человека с коромыслом на плечах. На концах коромысла прикреплены одинаковые ведра, наполненные водой. Пока концы уравновешены, человеку легко качать коромысло. Он может так его качать, что ведра будут достигать земли. Теперь навесим на один конец еще одно полное ведро. Тут уж такой легкости качания не будет. Ясно, что конец с двумя ведрами будет подниматься медленно и с большим

усилием. Если перенесем добавочное ведро на другой конец коромысла, получится обратная картина.

Этот пример с ведрами мы и используем, чтобы понять действие успокоителя Фрама. Вот пароход при качке накренился вправо. Тогда и всю воду перегоняют вправо, но не сразу, а небольшими порциями. Если перегнать сразу, то вода своей тяжестью только поможет качке. А нужно, наоборот, чтобы она препятствовала. Воду перегоняют с таким расчетом, чтобы цистерна правого борта заполнилась в тот момент, когда этот борт начнет подниматься. Вот тогда полностью заполненная цистерна и будет вроде добавочного ведра на коромысле. Она будет уменьшать размах качки. Дальше начинает крениться левый борт. Вода тем же порядком перегоняется влево. Когда левый борт начинает подниматься вверх, в действие вступает целиком заполненная цистерна этого борта. Это похоже на то, как если бы мы перенесли добавочное ведро с водой на другой конец коромысла.

Устройство успокоителя Фрама.

Так попеременное переливание воды с одного борта на другой в несколько раз уменьшает размахи качки.

Действие цистерн Фрама было проверено в русском флоте в 1913 году. Вот как вспоминает об этом академик А. Н. Крылов:

«Была образована специальная комиссия. Судили, рядили месяцев десять, ни к чему не пришли: одни говорят, надо применять успокоители Фрама, другие говорят,-цистерны Фрама вредны, и все на заграничные журналы ссылаются. Наконец, в феврале 1913 года морской министр Григорович назначает заседание под личным своим председательством. Выслушивает противоречивые мнения комиссии, которая «ни к чему не привела, только время провела». И тогда обращается ко мне:

А вы что скажете?

Пока мы будем разными журнальными статьями руководствоваться, ни к чему не придем. Надо отыскать пароход, снабженный цистернами Фрама, назначить на него комиссию из наших офицеров, идти в океан и произвести всесторонние испытания, тогда мы получим свои данные - полные и проверенные.

Назначаю такую комиссию под вашим председательством, ищите пароход, берите с собой, кого хотите, и через неделю будьте в море».

Комиссия Крылова, проведя испытания на парохрде «Метеор», убедительно доказала, что польза от цистерн Фрама есть. Цистерны были испытаны в самых различных условиях плавания: от легкой зыби на море до жестокого двенадцатибалльного шторма. Емкость цистерн составляла всего полтора процента от водоизмещения судна, а размахи качки уменьшались втрое и вчетверо. Сейчас заполнение таких цистерн производится автоматически, и поэтому они называются активными.

Существуют еще гироскопические успокоители качки, или гироскопы. Главная часть гироскопа - тяжелый диск, который вращается вокруг вертикальной оси со скоростью до 3000 оборотов в минуту. Ось прочно закреплена в большой раме, опоры которой составляют одно целое с корпусом судна. Рама качается на этих опорах точно так, как качался на своей раме «ящик» парохода «Бессемер».

Пока нет качки, ось диска сохраняет свое вертикальное положение. Но вот начинается бортовая качка. Тут сразу же пускают в ход электромотор, вращающий диск. Диск становится волчком, вроде того, каким мы играли в детстве. И, как бы ни наклонялся от качки диск, его вертикальная ось, как ось всякого волчка, стремится сохранить свое прежнее вертикальное положение. Тут-то и проявляется действие гироскопа.

Положим, правый борт судна стремительно клонится к воде. Вместе с ним должна наклониться и вертикальная ось диска. Но она, по свойству волчка, упорно сопротивляется такому наклону. А поэтому ось давит на раму и через опоры рамы - на корпус судна. И давит как раз в сторону, противоположную наклону судна. Так гироскоп умеряет качку судна.

Недавно придумали новые успокоители качки - скуловые рули.

Это так называемый пассивный гироуспокоитель. В последнее время чаще ставят активный гироуспокоитель. У него рама
качается на опорах не сама по себе, а при помощи особого электродвигателя. Этим усиливается на опорах рамы давление, противодействующее крену судна.

Гироскоп - огромный механизм. Диаметр диска достигает четырех метров. Поэтому для гироскопов выделяют особое помещение больших размеров.

На судне, оборудованном гироскопами, качка почти не ощущается. Но зато гироскоп - очень сложный и дорогостоящий механизм и потому большого распространения для успокоения качки еще не получил. Зато
идея гироскопа широко применяется в устройстве различных приборов.

Недавно придумали новые успокоители качки. Это скуловые управляемые рули. Они напоминают боковые кили. Но боковые кили прикреплены к корпусу неподвижно. А скуловые рули могут автоматически поворачиваться специальным двигателем вверх и вниз. Их все время ставят в самое выгодное положение, чтобы они на ходу судна, подобно крыльям самолета, создавали подъемную силу. Вот эта сила и препятствует крену. Опыт использования этих успокоителей показал, что они хороши только для быстроходных судов. Когда качки нет, рули втягиваются внутрь корпуса, в особые «карманы». Это делается для того, чтобы они не тормозили движения судна.

Все, что здесь рассказано об успокоителях, относится к качке бортовой. А что же предпринимается для уменьшения килевой качки? Здесь специальных успокоителей не применяют. Усилия конструкторов направлены к тому, чтобы по возможности улучшить форму надводной части носовой оконечности судна. Например, делают у нее «развал» в стороны бортов, чтобы судно меньше «зарывалось», всходя на волну,

Для гашения колебаний транспортных объектов и в некоторых других специальных случаях находят применение динамические гасители, основанные на использовании гироскопов . Эквивалентное действие подобных систем аналогично работе пружинного гасителя с трением, хотя устройство и принцип функционирования различные.

В качестве примера на рис. 24 приведена схема успокоителя бортовой качки судов. Ротор гироскопа 1 смонтирован в кожухе 2, который может качаться относительно судна вокруг оси 3, перпендикулярной продольной оси корабля. При этом центр тяжести кожуха располагается ниже оси качаний на расстоянии Колебания кожуха демпфируются с помощью тормозного барабана 4. Масса ротора гироскопа составляет обычно массы судна. С помощью двигателя ротор приводится во вращение с максимально допустимой угловой скоростью

Рис. 24. Гироскопический успокоитель бортовой качки с тормозным барабаном: 1 - ротор; 2 - кожух; 3 - ось кожуха; 4 - тормозной барабан

Обозначая момент инерции ротора через и считая ротор вращающимся протичасовой стрелки (если смотреть на него сверху), устанавливаем, с учетом свойств гироскопа, что при повороте корабля вокруг продольной оси вправо (при виде с кормы) с угловой скоростью кожух гироскопа начнет отклоняться к корме с угловой скоростью угол поворота кожуха) в результате действия момента сил, равного При этом реактивный момент, противодействующий бортовой качке, будет равным Обозначая момент инерции судна относительно продольной оси; момент инерции кожуха относительно поперечной оси 3; вес кожуха, запишем систему дифференциальных уравнений для малых колебаний в виде

Коэффициент характеризует вязкое трение в барабане; с - остойчивость судна; момент внешних сил, определяемый волнением моря.

Полагая и отыскивая решение системы уравнений (34) в виде (17), после преобразований получим следующее выражение, характеризующее амплитуду бортовой качки, аналогичное (4):

Таким образом, анализ, проведенный в параграфе 5, полностью распространяется на рассматриваемый случай. Учитывая переменную частоту волнения моря, заключаем, что описываемая гироскопическая система может эффективно функционировать лишь при рациональном выборе демпфирования в тормозном барабане 4. Оптимальный коэффициент демпфирования определяется (32), где и выражаются через параметры системы в соответствии с (35).

Наряду с рассмотренной схемой для гашения бортовой качки нашла применение гироскопическая система с обратной связью . Кожух 2 исполнительного гироскопа (рис, 25, а) установлен концентрично относительно оси 3 прецессии,

Повороты кожуха осуществляются серводвигателем 4 через передачу 5, приводимым с помощью сигналов малого направляющего гироскопа (рис. 25, б). Последний уста новлен аналогично исполнительному гироскопу и представляет собой его сильно уменьшенную копию. При бортовой качке в результате поворота кожуха направляющего гироскопа замыкаются соответствующие контакты реле, включающего серводвигатель. В результате кожух исполнительного гироскопа поворачивается таким образом, что возникающий реактивный момент, действующий на опоры кожуха, противодействует качке.

Рис. 25. Гироскопический успокоитель (а) бортовой качки с направляющим гироскопом (б): 1 - ротор; 2 - кожух: 3 - ось кожуха; 4 - серводвигатель; 5 - зубчатая передача

В некоторых случаях для борьбы с качкой применяли динамические гасители, выполненные в виде цистерн, расположенных по бортам частично заполненных жидкостью и соединенных трубопроводом для ее свободного перетекания, либо снабженных специальными насосами для принудительного перекачивания жидкости, управляемыми направляющим гироскопом.

В большинстве современных судов для подавления бортовой качки используют устройства, основанные на применении управляемых или неподвижных крыльев, меняющих угол атаки при крене таким образом, чтобы возникающая подъемная сила при их обтекании водой противодействовала качке. В отличие от гироскопических успокоителей эти устройства осуществляют стабилизацию лишь при движении судна.

Основные цели испытаний судов, снабженных успокоителями качки, следующие:
х достаточно полная и достоверная оценка эффективности и эксплуатационных качеств системы стабилизации судна в реальных морских условиях;
определение влияния успокоителя качки на прочие мореходные качества судна (управляемость, ходкость, поведение на волнении и т. д:);
оценка целесообразности использования данных успокоителей на других судах, подобных по определенным критериям испытываемому судну.

Наиболее распространенными успокоителями бортовой качки в настоящее время являются скуловые кили, успокоительные цистерны различных типов и бортовые управляемые рули. Рассмотрение основных методов испытаний для средств общей стабилизации судов содержится в монографии . Конкретное содержание натурных испытаний успокоителей качки сильно зависит от конструктивных особенностей системы стабилизации, которые могут быть весьма многообразны.

Исчерпывающие сведения о программе испытаний успокоителя обычно содержатся в инструкции по использованию системы стабилизации, которая составляется на основании расчетных и экспериментальных исследований, выполненных на стадии проектирования успокоителя. Натурные испытания не могут заменить указанные исследования по оптимизации системы стабилизации, а их целью должна быть только проверка основных характеристик и ограниченного числа конкретных вариантов использования успокоителя в реальных морских условиях. В частности, это замечание относится к определению оптимальной настройки цистерн по периоду или степени демпфирования колебаний стабилизирующей жидкости, оптимизации закона управления успокоителем и т. д.

Простейшими успокоителями бортовой качки, судов являются скуловые кили, которые начали широко применяться после известных испытаний корветов английского флота «Грейхаунд» и «Персей», проведенных В. Фрудом в 1872 г. Аналогичные испытания, проводившиеся позднее другими исследователями, и опыт судостроения неизменно подтверждали их высокую эффективность. На основании анализа обширного экспериментального материала в монографии показано, что в среднем скуловые кили при площади 2-4% от площади грузовой ватерлинии уменьшают амплитуды бортовой качки судна в дрейфе на 25-30%. На ходу относительная эффективность килей снижается. При движении судна лагом к волне и числе Фруда Fr=0,25 для килей указанной площади уменьшение качки составляет 25%, а при Fr = 0,40 равно 15-20%. На встречных и попутных курсовых углах волны эффективность килей еще более снижается, однако это не имеет существенного значения, поскольку амплитуды бортовой качки в этих условия невелики. Обзор данных о применений скуловых килей на судах и оценка влияния их установки на другие мореходные качества, в частности на ходкость, имеется в работе . В настоящее время испытания судов для проверки действия скуловых килей не производят, так как их эффективность, подтвержденная обширными экспериментальными материалами, не вызывает сомнений.

Программа и объем испытаний судна с успокоительными цистернами или бортовыми рулями зависят от типа системы стабилизации и, главным образом, от наличия элементов активизации.

Испытания судов с активными успокоителям качки производят в два этапа: на тихой воде и на волнении. На первом подготовительном этапе проверяют надежность и точность работы отдельных элементов системы стабилизации судна и определяют степень соответствия ее технических характеристик проектным данным (чувствительность преобразователей, работа исполнительных механизмов и т. д.). Кроме того, при испытаниях на тихой воде выполняют проверку работы системы стабилизации в режиме раскачивания, определяют собственный период и демпфирование бортовой качки судна по затуханию его свободных колебаний, измеряют статическую характеристику успокоителей (целесообразно отметить, что раскачивание судна на тихой воде может производиться не только успокоителем, но и с помощью вертикального руля).

В качестве статической характеристики рассматривают угол крена судна на тихой воде при статическом приложении максимального момента, создаваемого успокоителем качки. Определение статической характеристики успокоительных цистерн позволяет не только установить соответствие между проектными и фактическими данными, но и проверить возможность использования успокоительных цистерн в качестве средства уменьшения крена судна на циркуляции. Экспериментальное определение статической характеристики бортовых рулей не дает надежных результатов, так как крен в этом случае зависит не только от момента, создаваемого рулями, но и от момента, обусловленного дрейфом судна при крене. Так, при испытаниях американского лайнера «Марипоза» вместо ожидавшегося по расчету статического крена 5° измеренное значение составило 3° . Поэтому измерению статической характеристики бортовых рулей при натурных испытаниях не придается большого значения. Испытания в режиме раскачивания судна позволяют определить работоспособность и динамические характеристики успокоителей качки, как системы автоматического регулирования, оценить потребляемую ими мощность, которую устанавливают на основании измерения силы и напряжения тока на клеммах электродвигателя гидравлического привода. Если при раскачивании бортовыми рулями имеется возможность измерить создаваемую ими подъемную силу, то демпфирование бортовой качки с учетом пассивного эффекта рулей можно определить не только по затуханию свободных колебаний после выключения успокоителя, но и методом вынужденных колебаний., Оценку пассивного эффекта руля (по коэффициенту сопротивления бортовой качке судна с выдвинутыми неработающими рулями) достаточно проводить при малых углах раскачивания, что упрощает и ускоряет ее выполнение.

Основным этапом испытаний судна с успокоителями качки являются испытания на волнении. На этом этапе определяют технические характеристики успокоителя качки в реальных условиях плавания судна на волнении, оценивают эффективность системы стабилизации, а также решают другие задачи натурных испытаний. Оценку эффективности производят сопоставлением интенсивности качки судна с включенными и выключенными успокоителями или с помощью параллельных испытаний двух судов, одно из которых не имеет успокоителей, в одинаковых условиях плавания. Для оценки интенсивности качки принимают во внимание средние и наибольшие зарегистрированные во время испытаний значения амплитуд крена судна. Сравнение средних значений амплитуд позволяет определить, во сколько раз в среднем уменьшается качка судна при действии системы стабилизации, т. е. определить «кратность умерения». Оценка максимальных амплитуд дает возможность судить о наибольших возможных при работе успокоителя углах крена судна и представляет интерес, если величина углов крена при качке создает ограничения для нормального использования судна или его оборудования.

При сравнении амплитуд имеют в виду отклонения судна, измеренные от нулевой линии записи угла крена θ(t). Учитывая, что амплитуды пропорциональны дисперсии углов крена Dθ, в качестве меры интенсивности качки можно также рассматривать среднее квадратическое значение угла крена (стандарт)σθ=√Dθ. При использовании так называемых размахов колебаний для оценки интенсивности качки необходимо принимать во внимание только размахи, соответствующие удвоенным амплитудам угла -крена, и исключить размахи, соответствующие высокочастотным вторичным колебаниям, экстремумы которых обращены выпуклостью к нулевой линии процесса. Относительное число вторичных экстремумов на записях качки стабилизированного судна достигает 15-20%. Для нестабилизированного судна число их гораздо меньше, поэтому учет вторичных колебаний может заметно исказить оценку кратности умерения .

В иностранной практике оценку эффективности успокоителей нередко производят по проценту уменьшения качки, который определяют как отношение площади, заключенной между кривыми обеспеченности амплитуд качки нестабилизированного и стабилизированного судна, к площади, ограниченной функцией обеспеченности амплитуд качки нестабилизированного судна.

Рассматриваемая площадь определяет среднюю амплитуду качки, поэтому процент уменьшения качки вычисляют по формуле

Где θ0н, θ0с - средние амплитуды качки нестабилизированного и стабилизированного судна.

При резонансе на регулярном волнении для судна с резонансно настроенной пассивной цистерной

где αo - угол волнового склона, φст - используемая статическая характеристика, т. е. угол статического крена при воображаемом статическом перемещении на один борт стабилизирующей жидкости, равном амплитуде ее перемещения в рассматриваемых условиях.

Сравнивая формулы (3.15) и (3.16), можно рассматривать процент уменьшения качки К1 как оценку эффективной статической характеристики успокоителя на нерегулярном волнении, что позволяет судить об этой характеристике с точки зрения обеспечения необходимой или достаточной кратности умерения качки.

Величина К1 и кратность умерения К связаны соотношением

Иногда при определении процента уменьшения качки исключаются амплитуды, которые не превышают некоторый заданный уровень (например, 2°). Очевидно, что при этом оценка эффективности успокоителя повышается и вследствие произвольного выбора порогового уровня амплитуд становится неопределенной. Это замечание показывает, что оценка кратности умерения недостаточна для суждения об остаточной качке стабилизированного судна, которая может быть чрезмерной, несмотря на высокую кратность умерения.

Вследствие зависимости кратности умерения от интенсивности волнения (в особенности, от среднего периода волн) и демпфирующих свойств корпуса, повышение кратности отмечается на слабом волнении для судов с малым сопротивлением бортовой качке (например, без скуловых килей). Поэтому для сравнения разных судов или оценки влияния изменения конструктивных элементов судна и системы стабилизации полезно, помимо кратности умерения, рассматривать остаточную качку стабилизированного судна, для оценки которой могут использоваться указанные статистические характеристики: средняя амплитуда или дисперсия качки.

При использовании для оценки остаточной качки величины максимальных амплитуд необходимо учитывать продолжительность записей качки, т. е. учитывать соответствующую этим амплитудам вероятность превышения (см. § 33).

Испытания на волнении судов, снабженных успокоителями бортовой качки, как и судов без успокоителей, проводятся при движении судна на прямолинейных галсах с заданным значением курсового угла волны. При оценке эффективности успокоителей качки особенно важное значение приобретает определение интенсивности волнения на сопоставляемых режимах испытаний, и при испытаниях одного судна для повышения достоверности результатов рекомендуется повторение измерений качки на основных наиболее важных галсах (например, по схеме: 1-й галс-успокоитель выключен, 2-й галс-успокоитель включен, 3-й галс (повторный)-успокоитель выключен).

Важность влияния волновых условий может быть показана на примере испытания рыбопромыслового судна «Наталия Ковшова» . При испытаниях судна, которые проводились в Атлантическом океане в 1968 г., на ветровом волнении силой 5 баллов его качка оказалась меньше, чем на 4-балльной зыби (см. табл. 19).

Как показал анализ, это объясняется тем, что период волн зыби был больше и ближе к собственному периоду судна, чем на ветровом волнении. Эффективность цистерн на зыби была довольно высокой: включение цистерн уменьшало амплитуды качки примерно в два раза, в то время как на ветровом волнении уменьшение амплитуд составило 1,6 (рис. 99). Как показали измерения уровня жидкости в цистернах, примерно в случаях 40% колебаний вода достигала крыши цистерны. Это указывало на почти полное использование возможностей успокоителей и давало основание сделать подтвердившееся впоследствии предположение, что при более сильном волнении эффективность цистерн будет ниже. Широкое обобщение результатов испытаний пассивных успокоительных цистерн на 13 английских судах разных типов от лоцманского катера до контейнеровоза длиной 151 м приведено в . В частности, в работе показано, что для обследованных судов эффективность пассивных цистерн заметно зависит от скорости судна: на ходу снижение качки составляет в среднем около 25%, без хода - повышается до 40-50%, причем более высокое успокоение качки отмечается на судах, не имеющих скуловых килей.

Рис. 99. Обеспеченность амплитуд бортовой качки судна «Наталия Ковшова» на волнении.

1 - 5 баллов; 2 - 4 балла; - цистерны выключены; --- цистерны включены.

Эффективность успокоителей качки существенно зависит от выбранного закона управления рабочими органами системы стабилизации (воздушные заслонки и насосы успокоительных цистерн или бортовые рули). Обычно в конструкции успокоителя предусматривают возможность изменения режима работы успокоителя с целью наиболее рационального его использования в различных условиях плавания. Например, использование пассивных цистерн предусматривается при оптимальном уровне стабилизирующей жидкости в цистернах и значении внутреннего гидравлического сопротивления ее перетеканию, при котором обеспечивается наибольшая степень затухания свободных колебаний. При атом эффективность цистерн проверяют для различных состояний нагрузки судна.

При установке бортовых рулей предусматривают возможность изменения коэффициентов управления, которые определяют связь между кинематическими параметрами качки и углом перекладки руля
α (t) = s0θ + t1θ. (3.18)
Выбор фигурирующих в формуле (3.18) коэффициентов управлений сильно влияет на эффективность успокоителя качки. В качестве примера на рис. 100 представлены записи качки судна, снабженного бортовыми рулями.

Мореходные испытания всегда ограничены сроком, и нельзя рассчитывать на то, что во время испытаний на волнении будет предоставлена возможность подбирать оптимальные сочетания коэффициентов управления. Быстрее и дешевле эта задача может быть решена в лабораторных условиях с помощью электронных вычислительных машин. Поэтому в настоящее время выбор закона управления рабочими органами успокоителя качки не рассматривается в качестве задачи натурных испытаний. Однако для натурной проверки результатов лабораторных исследований целесообразно испытать судно при нескольких режимах работы системы стабилизации, выбрав для этого наиболее характерные волновые условия, остойчивость и скорость судна.

Рис. 100. Образцы записи бортовой качки судна при различных значениях коэффициентов управления бортовыми рулями s0 и s1: а - неуспокоенная качка, средний размах 2θ0 = 4,8°; б - успокоенная качка, s1 -10 с, s0=0, 2θ0 =1,60; в - успокоенная качка s1 = 10 с, s0=2, 2θ0 =1°; г - успокоенная качка s1=10 с, s0=4, 2θ0=0,9°. Скорость судна 18 уз, курсовой угол волны 45°.

Испытания судна с успокоителями качки дают представление о качестве и эффективности системы стабилизации, если во время испытаний производится регистрация не только качки судна, но и одновременная с ней запись параметров, характеризующих работу успокоителя. Поэтому кроме приборов для записи бортовой качки и процессов изменения скорости и ускорения крена судна необходимы, например, приборы для регистрации колебаний уровня стабилизирующей жидкости в бортовых отсеках цистерн, записи углов перекладки бортовых рулей и действующих на них сил и моментов, приборы для замера мощности, потребляемой системой стабилизации. Это требование приводит к значительному расширению состава регистрирующей аппаратуры и увеличению объема необходимых измерений при испытаниях судов, снабженных успокоителями качки, по сравнению с испытаниями судна без успокоителей качки.