Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также существенное уменьшение качки БС.
Влияние типа и параметров системы стабилизации судна на его качку и дрейф
Основное назначение систем стабилизации БС - предотвращение его горизонтальных смещений от устья скважины на величины выше допустимых во избежание
поломки обсадных и бурильных труб. В то же время некоторые типы систем стабилизации при правильной технологии их использования обеспечивают также
существенное уменьшение качки БС.
Стабилизация БС при помощи закольных свай полностью исключает его дрейф и уменьшает качку. Однако область эффективного использования закольных свай
ограничена глубинами воды до 8 м и волнением моря до 3 баллов.
Якорная система проявляет максимальную удерживающую способность при горизонтальном приложении к якорю усилия от троса. Установлено, что если угол
приложения нагрузки больше 12° от горизонтали, то удерживающая способность якоря значительно уменьшается. Если принять, что якорный трос вытянут в
прямую линию, то его длина для получения такого угла наклона должна быть в 4,8 раза больше глубины воды в месте бурения.
Однако никакими усилиями наклонно направленный трос невозможно вытянуть в прямую линию, под действием силы тяжести он всегда провисает, и это уменьшает
угол наклона его при подходе к якорю. Поэтому длину заброшенного в воду якорного троса рекомендуют принимать при безветренной погоде, отсутствии сильных
течений и колебаний уровня воды больше глубины акватории в 3-4 раза, а при работе в неблагоприятных погодных условиях - в 2-3 раза. Для увеличения
удерживающей силы и улучшения амортизационных свойств якорной системы рекомендуется к якорному тросу в нескольких метрах от якоря подвешивать специальный
груз или между якорем и тросом устанавливать тяжелую цепь длиной 2-3 м.
Сила внезапных нагрузок от ветра и волнения расходуется прежде всего на уменьшение провеса якорного троса. Одновременно с уменьшением провеса троса увеличивается сила его натяжения, которая создает момент, препятствующий наклону судна. Таким образом, длинный якорный трос демпфирует внезапные нагрузки и уменьшает бортовую, килевую и вертикальную качку судна.
Успокоители качки судов
Работа успокоителей качки судов основана на том, что они создают стабилизирующий момент только при возникновении отклоняющего момента, т.е. когда судно
уже получило угловое наклонение, отличающееся от его значения на тихой воде. Поэтому полностью исключить качку БС успокоители не могут. Тем не менее
успокоители качки частично компенсируют возмущающий момент при качке судна, вследствие чего уменьшаются ее амплитуда, скорость и ускорение. Это
благоприятно сказывается на работе судовых механизмов и самочувствии находящихся на судне людей.
По принципу управления работой успокоители качки делятся на пассивные и активные. Пассивные не имеют искусственного управления стабилизирующим моментом
и не требуют каких-либо специальных источников энергии. Активные успокоители осуществляют изменение стабилизирующего момента с помощью специальных
механизмов. В качестве успокоителей качки используют боковые и торцевые кили, управляемые боковые рули, пассивные и активные успокоительные гироскопы и
цистерны.
Боковые и торцевые кили представляют собой длинные пластины, устанавливаемые на корпусе БС ниже ватерлинии. Кили создают дополнительное сопротивление при бортовой и продольной качке и способствуют
значительному уменьшению амплитуды колебаний (на период качки боковые и торцевые кили не влияют). Применение боковых килей рациональной площади приводит к
уменьшению амплитуды бортовой качки быстро движущегося судна на 20 - 30 % (при больших размерах площади килей до 50 %). Конструктивно кили являются
простейшими пассивными успокоителями. Однако их использование приводит к некоторой потере скорости хода судна.
Управляемые бортовые рули представляют собой крылья малого удлинения, которые выступают с обоих бортов судна и снабжены механизмами, обеспечивающими их
поворот, выдвижение из корпуса и уборку внутрь него. Такие рули относятся к активным успокоителям качки. Боковые управляемые рули особенно эффективно
действуют при высокой скорости хода судна, снижая амплитуду бортовой качки в несколько раз. Благодаря этому повышается скорость судна на волнении, несмотря
на то что выдвинутые рули увеличивают сопротивление его движению на тихой воде.
Действие гироскопического успокоителя качки основано на том, что массивный гироскоп при быстром вращении противодействует изменению направления своей
оси вращения в пространстве. Гироскопические успокоители бывают пассивными и активными. Они одинаково эффективно умеряют качку на ходу судна и в дрейфе.
К недостаткам гироскопических успокоителей относятся значительная масса, неудобство расположения, большая стоимость, сложность устройства в
эксплуатации, расшатывание связей корпуса и опасность значительных его повреждений при аварии гироскопа. Как показала проектная проработка, выполненная
американскими специалистами применительно к судну типа AGOR-3 (водоизмещение -1400 т), масса гироскопического успокоителя должна быть около 70 т, для его
размещения потребуются площади объемом -145 м3, а потребляемая мощность составит 260 кВт, т.е. 35 % общей мощности ЭУ судна.
Успокоительные цистерны бывают пассивными и активными. Конструктивно эти успокоители представляют собой специальные сообщающиеся цистерны с
переливающейся в них водой, расположенные по бортам судна. Принцип действия такого успокоителя состоит в том, что при качке переливание воды из цистерны
одного борта в цистерну другого отстает от наклонения судна. Тем самым создается стабилизирующий момент, противодействующий наклонению судна.
Активные успокоительные цистерны обеспечивают почти полное успокоение бортовой качки судна при всех соотношениях между ее периодом и периодом волны
(т.е. при нерегулярном волнении). Они эффективно действуют на ходу и в дрейфе судна, но требуют сложного и дорогого оборудования (насос или воздуходувка,
приборы управления), дополнительных затрат мощности для его привода. Например, мощность двигателя насоса активных цистерн, установленных на
научно-исследовательском судне "Метеор" (ФРГ), равна 110 кВт.
Пассивные успокоительные цистерны малоэффективны в условиях нерегулярного волнения, и их эффективность зависит от нагрузки судна. В то же время
наибольшее распространение для уменьшения бортовой качки на научно-исследовательских судах получила система стабилизации типа Флюм, в основе которой лежит
принцип работы пассивных успокоительных цистерн. Главными элементами системы Флюм являются три цистерны: две бортовые и одна средняя, соединенные между
собой каналами и снабженные клапанами вентиляции. Примерно на половину своей высоты цистерны и каналы заполнены водой.
Принцип действия системы заключается в следующем: вода перетекает из средней цистерны в бортовую или наоборот таким образом, чтобы уровень воды в
средней цистерне при наклонении судна оставался постоянным. Перетекающая вода создает при этом восстанавливающий момент, который демпфирует бортовую качку.
Изменяя количество воды в цистернах, можно увеличивать или уменьшать метацентрическую высоту, что особенно важно для буровых судов. У БС значение
метацентрической высоты в процессе бурения может колебаться до 30 - 50 % в зависимости от расхода запасов топлива и, главным образом, от того, где
находится буровой снаряд - в скважине или на палубе судна.
Система Флюм отличается простотой и высокой эффективностью, низкими начальными и эксплуатационными затратами, относительно небольшими размерами и
массой (0,7 - 3 % от водоизмещения), возможностью использования топлива в качестве рабочей жидкости. В обычных условиях она, по данным компании "Матсон",
снижает амплитуду бортовой качки на 75 - 80 %, а при условиях, близких к резонансу, - до 90 %. При испытаниях системы на модели достигнуто уменьшение
амплитуды бортовой качки в 2-3 раза. Эффект от применения системы Флюм был настолько значительным, что установка бортовых килей существенно не влияла на уменьшение бортовой качки модели.
Влияние соотношения главных размерений судна на параметры его качки
Для уменьшения килевой и вертикальной качки целесообразно проектировать суда, длина которых была бы больше длины волны, при которой с них
предусматривают осуществлять бурение (при волнении 4 балла длина волны составляет 25 - 40 м, 5 баллов - 40 - 75 м). На точке бурения БС следует
устанавливать носом на волну. Однако в процессе бурения скважины направление ветровой волны может меняться по
141 нескольку раз. А так как изменять положение судна на скважине синхронно с изменением направления волны трудно, то судно может оказаться в положении
бортом на волну. При этом существенно усиливается дрейф и снижается остойчивость судна, т.е. у него увеличиваются углы крена от действия кренящих нагрузок.
Повышение остойчивости судна достигается снижением его центра тяжести. Однако при этом ухудшаются условия работы и обитания людей, так как бортовая
качка становится стремительнее, порывистее и тяжелее.
Для улучшения условий обитания на судне период его бортовой качки необходимо увеличивать. Как следует из выражения, сделать это можно уменьшением
метацентрической высоты судна или увеличением его ширины. Уменьшение ме-тацентрической высоты судов достигается заострением обводов в подводной части
корпуса и преимущественно повышением центра тяжести судна. Последнее улучшает условия обитания на судне, но делает его, как уже отмечалось, менее
остойчивым.
Повышается остойчивость судна и улучшаются условия обитания на нем при увеличении ширины БС. Исходя из режима работы судна (стоянка на точке бурения
составляет 85-90 % всего времени), ширину его корпуса можно увеличивать до любых необходимых размеров. Наряду с этим форма и ширина корпуса не должны
создавать больших сопротивлений движению судна по воде со скоростью 1 0- 1 4 узлов.
Следовательно, при различном влиянии изменения мета-центрической высоты судна на его остойчивость и условия обитания, а ширины на остойчивость и
скорость хода БС должно быть спроектировано таким образом, чтобы при достаточной остойчивости период качки был максимальным. В работе отмечается, что амплитуда бортовой качки плавучей буровой установки при бурении не должна быть более 5 - 7° с периодом в десятки секунд.
Обычно относительная метацентрическая высота (отношение метацентрической высоты к максимальной ширине корпуса) для грузовых и пассажирских судов при
полном водоизмещении составляет примерно 0,05; для научно-исследовательских судов (НИС) она достигает 0,082 . Период качки однокорпусного НИС шириной 1
2 м (среднее значение ширины специализированных судов для геологических и геофизических исследований шельфа по), вычисленный по формуле при
указанном значении относительной метацен-трической высоты, составляет всего 9,4-10,3 с, что явно недостаточно для нормальных условий обитания на судне
людей.
Изложенное свидетельствует, что мероприятия по уменьшению качки БС путем выбора его центра тяжести, формы обводов и размеров корпуса имеют ограниченное
значение и недостаточно эффективны в условиях волнения, постоянно изменяющегося по силе и направлению.
Методы уменьшения амплитуды и силы воздействующих на судно волн
Наиболее мобильными устройствами, защищающими БС от больших волн, являются волнорезы, или волноломы. Их действие основано на том, что по мере удаления
от поверхности в глубь моря сила волн затухает по закону hx = h / е5,5(х/X)0′8,
где h и hx - высота ветровой волны на поверхности моря и на глубине х от поверхности соответственно; X - длина волны.
Расчеты показывают, что 75 % энергии волны моря приходится на его поверхностный слой, глубина которого составляет 10 % от длины волны; на глубине моря,
равной половине длины волны, ветровое волнение практически отсутствует.
Обычно волнорезами служат обладающие положительной плавучестью цилиндрические емкости, которые шарнирно соединяют между собой или помещают в сетчатую
оболочку, располагают в несколько рядов вокруг судна или со стороны волнения и раскрепляют якорями.
Для эффективной работы волнорезов оси цилиндрических емкостей должны находиться ниже уровня воды, где энергия волны максимальная. Для этого расчетную
часть каждой емкости заполняют морской водой, а оставшуюся часть - сжатым воздухом. Эффективность волнореза повышается с увеличением диаметров его
цилиндрических емкостей. Экспериментально с помощью волнорезов специалисты буровых компаний Англии уменьшали амплитуду волны с 9 до 1,5 м.
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,
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 L В , 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.
Схема пассивного успокоителя качки
Российская компания «МСС» на выставке в Санкт-Петербурге показала прототип активной пневматической системы успокоения качки для больших судов и кораблей. Как сообщает FlotProm, система способна самостоятельно обучаться под текущие ветровые и волновые условия при сохранении стабильного курса и более эффективно успокаивать качку на корабле.
Качкой, или бортовой качкой, называют изменение наклона плавающего судна на левый или правый борт под воздействием внешних сил, включая волны и ветер. В целом качка не только снижает условия работы экипажа корабля, но и ухудшает функционирование ряда механических устройств и приборов, снижает скорость хода и точность боевых систем. В худшем случае качка может приводить к перевороту судна.
Для того, чтобы выравнять пространственное положение бортов судна, используются специальные устройства - успокоители качки. В целом делятся на пассивные, активные и гироскопические. К первым, например, относятся специальные цистерны с балластной водой, которая во время волнения начинает колебаться со смещением по фазу. Цистерны позволяют добиться уменьшения качки до двух раз.
Активные успокоители качки как правило представляют собой рули, расположенные по сторонам судна. Они могут выдвигаться из корпуса и прятаться обратно, если волнения нет или оно слабое. Такие рули в зависимости от силы качки в движении изменяют угол атаки, частично компенсируя тем самым подъем или опускание того или иного борта.
Наконец, гироскопические успокоители качки представляют собой мощные гироскопы, вращающиеся в специальной раме. Во время качки происходит поворот оси гироскопа, что приводит к возникновению гироскопического момента, который и стабилизирует судно.
Новая активная пневматическая система, представленная компанией «МСС», состоит из бортовых цистерн, заполненных балластной жидкостью и соединенных друг с другом. В зависимости от качки в одну из цистерн под большим давлением нагнетается воздух, который быстро вытесняет воду в другую цистерну.
Согласно заявлению разработчика, такая система успокоения качки может не только стабилизировать судно в движении, но также создавать искусственную качку при движении во льдах, когда наклон судна меняется при наваливании на лед. Кроме того, система может стабилизировать судно в порту при проведении погрузки или разгрузки.
Следует отметить, что в России на боевых кораблях традиционно используются активные успокоители качки на основе рулей. Они относительно компактны, но способны работать исключительно во время движения. На крупных судах применяются активные и гироскопические системы успокоения качки.
На российском транспорте вооружения «Академик Ковалев» 20180 «Звёздочка» установлена так называемая система компенсации крена. В ней балластная вода из одной цистерны в другую перекачивается при помощи насосов.
Василий Сычёв
Специальные устройства, устанавливаемые на судах для умерения качки. Применяются свыше 100 лет и весьма разнообразны по принципу действия и конструкции. У. К. классифицируют по направлению действия стабилизирующего момента, по природе сил, создающих этот момент, по принципу управления. По 1-му признаку различают успокоители бортовой и продольной качки судна. Первые получили весьма широкое распространение. По 2-му признаку У. К. разбивают на 3 типа: гравитационные, гироскопические и гидродинамические. У гравитационных У. К. стабилизирующий момент создается перемещением внутри судна твердого тела или жидкости. В последнем случае У. К. выполняются в виде успокоительных цистерн разных типов. Наиболее часто применяются закрытые цистерны, состоящие из 2 бортовых секций, соединенных водыми и воздушными каналами. За рубежом широкое распространение получили цистерны типа "Флюм", характерной особенностью которых является соединительный канал, имеющий ту же высоту, что и бортовые секции. Если водный и воздушный каналы отсутствуют, а бортовые ветви сообщаются между собой через забортную воду и атмосферу, цистерны называются открытыми. Гироскопический У. К. состоит из тяжелого диска (гироскопа), вращающегося с большой скоростью вокруг оси, соединенной с рамой. Ось качаний рамы расположена горизонтально в поперечной плоскости судна и специальными цапфами соединена с его корпусом. При качке судна и вращении гироскопа возникает сложное движение рамы - прецессия, приводящая к появлению в цапфах реакций, создающих стабилизирующий момент. В настоящее время У. К. этого типа используются только для местной стабилизации различных установок на судах. Гидродинамические У. К. представляют собой специальные выступающие части (пластины или крылья), устанавливаемые на корпусе судна. Для успокоения бортовой качки применяются скуловые кили и бортовые управляемые рули. Последние могут быть неразрезными и разрезными, неубирающимися, втягивающимися внутрь судна, заваливающимися вдоль корпуса. Скуловые кили создают стабилизирующий момент за счет разности давлений на верхних и нижних поверхностях при обтекании киля в поперечной плоскости, а бортовые рули - благодаря возникающей на них подъемной силе, пропорциональной квадрату скорости судна. Поэтому бортовые рули непригодны для судов, требующих умерения качки в дрейфе или при малых скоростях движения, тогда как скуловые кили в этих условиях обладают максимальной эффективностью. Гидродинамичные У. К. в виде носовых неподвижных килей или крыльев могут использоваться и для умерения продольной качки, но они не получили широкого распространения из-за сравнительно невысокой эффективности и возникающей при их установке вибрации носовой оконечности судна. По 3-му признаку У. К. делятся на активные, пассивные и частично активизированные. Первые снабжены приводом, обеспечивающим принудительное изменение стабилизирующего момента в соответствии с сигналом, вырабатываемым специальной системой управления. К этому типу относятся бортовые управляемые рули. Активные успокоительные цистерны на современных судах не применяются, т. к. принудительная перекачка жидкости требует слишком больших энергетических затрат. Пассивные У. К. не имеют приводов и систем управления; к ним относятся скуловые кили, носовые кили и крылья, а также большая часть успокоительных цистерн. Применяются и частично активизированные цистерны, управляемые специальными клапанами, перекрывающими водный и воздушный каналы.
Загрузка...