Автор: Пользователь скрыл имя, 28 Марта 2012 в 18:50, доклад
Бортовая качка — переменное наклонение плавающего судна на правый и на левый борт под действием волнения или других внешних сил.
Бортовая качка ухудшает условия работы механизмов и приборов. Вызывает снижение скорости хода судна. Отрицательно действует на организм человека, приводя к ухудшению самочувствия и потере работоспособности. На кораблях приводит к невозможности использовать установленные боевые системы, выводя тем самым их из боеготовности. При больших амплитудах может привести к потере остойчивости судна и его затоплению.
Бортовая качка — переменное наклонение плавающего судна на правый и на левый борт под действием волнения или других внешних сил.
Бортовая качка ухудшает условия работы механизмов и приборов. Вызывает снижение скорости хода судна. Отрицательно действует на организм человека, приводя к ухудшению самочувствия и потере работоспособности. На кораблях приводит к невозможности использовать установленные боевые системы, выводя тем самым их из боеготовности. При больших амплитудах может привести к потере остойчивости судна и его затоплению.
На корпус
плавающего по воде судна
При плавании судна на взволнованной поверхности на его корпус действуют силы поддержания, все время меняющие свою величину на отдельных участках длины судна. Максимального значения эти силы достигают тогда, когда судно идет курсом, перпендикулярным направлению волны, длина которой равна длине судна. При прохождении вершины волны у миделя, в средней части корпуса образуются избыточные силы поддержания с недостатком их в оконечностях. От неравномерного распределения сил поддержания в этом случае получается перегиб корпуса. Через короткий промежуток времени судно переходит на подошву волны, при этом избыток сил поддержания перемещается к оконечностям, отчего возникает прогиб корпуса.
Вследствие качки судна, возникшей на волнении, на корпус действуют силы инерции, оказывающие на него дополнительное воздействие, а во время плавания с большой скоростью против крупной встречной волны при ударе днищевой частью носовой оконечности о воду (явление слеминга) возникают дополнительно ударные или динамические нагрузки.
Продольный изгиб судна на взволнованной поверхности воды: а —па вершине волны; б — на подошве волны.
Бортовая качка ставит под угрозу остойчивость судна или, по меньшей мере, оказывает на нее нежелательное воздействие. Кроме того, бортовая качка отрицательно влияет на самочувствие людей на борту из-за ускорений, действующих в вертикальном направлении и непрерывно изменяющихся по величине. Форма корпуса судна обеспечивает достаточную остойчивость судна при нормальной нагрузке и предотвращает возникновение сильной бортовой и килевой качки. Воздействовать на остойчивость судна можно в общем только за счет соответствующего распределения груза по высоте судна. Поэтому наиболее эффективным и простым методом предотвращения нежелательной бортовой качки является рациональное размещение грузов: при высоком размещении остойчивость уменьшается, при низком размещении грузов с высокой удельной массой остойчивость увеличивается. Незначительных улучшений можно добиться за счет заполнения и опорожнения балластных цистерн и путем перекачивания топлива. На килевую качку расположение грузов оказывает лишь незначительное влияние.
Скуловой киль
1 — скуловой киль; 2 — усиление; 3 — бортовая качка; 4 — сопротивление демпфирования скуловых килей
Для механического демпфирования бортовой качки применяют различные стабилизирующие средства и установки. Они позволяют уменьшить бортовую качку, однако полного ее устранения добиться невозможно. Поэтому эти установки и называются демпфирующими установками или средствами. К наиболее простым средствам демпфирования бортовой качки морских судов относятся скуловые (боковые) кили. Они помещаются с внешней стороны корпуса судна перпендикулярно к скуловому поясу наружной обшивки. Скуловые кили располагаются в средней части судна и занимают от 1/3 до 3/4 его длины. Ширина килей рассчитана таким образом, что их наружная кромка находится над основной линией и в пределах наибольшей ширины судна, поэтому кили не повреждаются при швартовке судна к причалу или при соприкосновении с грунтом. Их ширина составляет от 0,3 до 1 м в зависимости от размеров судна. Для того чтобы скуловые кили не вызывали значительного повышения сопротивления движению судна, их форма от начала до самой оконечности судна соответствует линиям тока воды на наружной обшивке, которые приблизительно соответствуют форме скуловой рыбины. Скуловые кили позволяют уменьшить амплитуду колебаний бортовой качки — угла крена — собственных колебаний судна, однако на вынужденные колебания они не имеют влияния. Период (длительность колебаний) качки при больших амплитудах существенно увеличивается по сравнению с периодом при малых амплитудах, за счет чего соответственно уменьшаются нежелательные ускорения. У судна на ходу влияние скуловых килей, которые в данном случае следует рассматривать также как подводные несущие поверхности, будет намного больше, чем у судна, находящегося в состоянии покоя.
Успокоительные цистерны.
1 — успокоительные цистерны;
1 — момент М гироскопа;
2 — воздушный вентиль;
3 — соединительный воздушный
канал; 3 — пара сил в качающемся
4 — бортовые диптанки; рамочном подшипнике;
5 — переливной канал;
6 — бортовая качка судна; 5 — прецессия;
7 — вода в цистерне
Для демпфирования бортовой качки применяют успокоительные цистерны, встраиваемые в корпус судна. Принцип их действия основан на том, что бортовая качка демпфируется собственными колебаниями массы жидкости на борту. Разработанные Фрамом успокоительные цистерны состоят из двух бортовых диптанков, которые внизу (в днище корабля) через переливной канал переходят в U-образную цистерну. Наверху обе цистерны через воздушный соединительный канал соединены с воздушным вентилем. Цистерны до определенной высоты заполнены водой или топливом. При бортовой качке судна жидкость движется по переливному каналу туда и обратно, а именно так, что за счет воздушной прослойки, регулируемой вентилем в воздушном канале, имеет смещение по фазе в пределах 90°, т. е. противодействует бортовой качке судна. Принцип действия различных успокоительных цистерн Фрама одинаков. Наибольшее демпфирующее действие таких цистерн на бортовую качку составляет около 50%, т. е. бортовая качка судна с успокоительными цистернами уменьшается в два раза. Вследствие стабилизации судна на волнении уменьшается его стремление встать перпендикулярно к склону волны. Но тогда уменьшается и стабилизирующий момент воды в цистернах (т. е. необходима активизация системы), поэтому в успокоительные цистерны встраивают насосы с гироскопическим управлением. Принцип действия гироскопа как успокоительного демпфирующего средства основан на том, что у вращающегося гироскопа с моментом инерции масс Jp (который зависит от его массы и расположения относительно оси вращения) и угловой скоростью ω=2πn (n — частота вращения гироскопа в единицу времени) при приложенном моменте М ось гироскопа отклоняется перпендикулярно к плоскости момента с угловой скоростью ωp называемой скоростью прецессии. С другой стороны, гироскоп противодействует изменению направления своей оси моментом. Если воспрепятствовать его прецессии, то этот момент не возникнет. Для достижения демпфирующего влияния гироскоп располагают таким образом, чтобы он мог колебаться перпендикулярно бортовой качке, т. е. в продольной плоскости судна. Бортовая качка судна демпфируется только тогда, когда колебания прецессии гироскопа демпфируются тормозами, встроенными в самоустанавливающиеся рамочные подшипники, в противном случае происходило бы лишь увеличение периода качки. Период колебаний гироскопа при разности по фазе 90° только незначительно отклоняется от периода колебаний судна. Благодаря соответствующему управлению гироскоп постоянно противодействует бортовой качке судна и существенно демпфирует углы крена. Общая масса подобных гироскопических установок составляет около 1,5% массы судна. Для приведения их в действие необходима специальная электростанция. Продолжительность разбега гироскопа до достижения рабочей частоты вращения составляет примерно 1,5 ч. По этой причине лишь некоторые суда снабжаются такими большими гироскопами для демпфирования бортовой качки. И напротив, небольшие гироскопы благодаря их физическим свойствам и чувствительности применяются в качестве регулирующих гироскопов для управления насосами активных успокоительных цистерн и гидродинамических стабилизаторов.
Новейшие разработки устройств снижения бортовой качки после гироскопически управляемых успокоительных цистерн привели к появлению гидродинамических стабилизаторов. Рули таких стабилизаторов расположены с внешней стороны корпуса судна на поверхности скулы. Для того, чтобы при причаливании судна к швартовной стенке не повредить рули, а также при спокойном море, когда рули не нужны, их с помощью гидравлических машин втягивают или убирают в корпус судна, в так называемые ниши для рулей. Их существенное отличие от бортовых килей заключается в управлении их колебательными движениями на основании правила гироскопа. Во время хода судна рули создают пару сил — вращающий момент, противодействующий бортовой качке судна. Если, например, судно кренится на правый борт, то передняя кромка руля этого же борта поворачивается вверх. Вода, обтекающая корпус, давит вверх на руль. Одновременно руль левого борта поворачивается вниз и протекающая вода создает с этого борта давление вниз. Под воздействием этих сил положение движущегося судна выравнивается; на судно, находящееся в состоянии покоя, рули, разумеется, не оказывают никакого влияния. Регулирующий гироскоп для управления приводом рулей работает так быстро и эффективно, что переход рулей из одного крайнего положения в другое осуществляется в зависимости от необходимости за 1—2 с, поэтому бортовая качка демпфируется уже в самом начале. Гидродинамические активные рули демпфируют бортовую качку судна на 90%. Увеличение сопротивления за счет рулей незначительно и компенсируется меньшим сопротивлением движению судна при малой бортовой качке.
Активные боковые рули.
1 — втягивающиеся рули; 2 — заваливающиеся
рули; 3 — силы, действующие на рули; 4 —
направление хода судна, 5 — направление
бортовой качки 6 — вращающий момент рулей.
Литература: