На военных кораблях есть успокоители качки. Успокоитель бортовой качки. Приемы для уменьшения качки

Ботаники или качки? Мне всегда нравились анекдоты про умников и качков. Читая Библию, я увидел историю Давида и Голиафа как приквел к «Мести полудурков». С одной стороны – огромный, тупой, накачанный Голиаф, а с другой – щуплый, но сообразительный Давид с пращой. Все

«КАЧКИ» - ТУПЫЕ

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.

Успокоителями качки принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна.

Действие установленных на судне успокоителей качки состоит в том, что они создают переменный стабилизирующий момент, противоположный по знаку возмущающему моменту волны. В настоящее время применяются успокоители только бортовой качки. Уменьшить амплитуды килевой и вертикальной качки с помощью успокоителей практически трудно, т.к. еще не созданы успокоители, способные развивать значительно большие, чем при бортовой качке, стабилизирующие моменты.

Успокоители качки делятся на пассивные и активные. Действие рабочих органов пассивных успокоителей основано на создании стабилизирующего момента за счет колебательных движений судна во время качки, т.е. при их использовании отпадает необходимость в специальных источниках энергии. В активных успокоителях переменный стабилизирующий момент создается принудительно с помощью особых механизмов, управляемых специальным регулирующим устройством, которое, в свою очередь, реагирует на колебания судна. Активные успокоители более эффективны, но на их работу нужно затрачивать дополнительную мощность.

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

Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение.

Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого, не сообщающегося с забортной водой (I рода) и открытого, сообщающегося с забортной водой (II рода). Цистерны наполовину заполнены водой (иногда, топливом) и соединены каналами. Пассивные успокоительные цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При некоторых условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время практически не используются.

Активные успокоители. К активным успокоителям качки относятся бортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и гироскопические успокоители-стабилизаторы.

Бортовые управляемые рули являются весьма эффективным средством уменьшения бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и особенно на пассажирских судах. Они размещены на специальных приводах, обеспечивающих изменение углов атаки по определенному закону, выдвижение их из корпуса и уборку внутрь корпуса.

Практика показывает, что бортовые рули целесообразно применять при скоростях, превышающих 10-15 узл. В этом случае бортовые рули приводят к значительному (в несколько раз) снижению амплитуд бортовой качки.

Активные успокоительные цистерны обычно выполняют в виде цистерн I рода. Для регулирования движения воды применяют либо насосы, установленные в водяном канале, либо воздуходувы, расположенные в воздушном канале. Управление насосом или воздуходувкой осуществляется с помощью специальной автоматики таким образом, чтобы можно было регулировать подачу воды из одной цистерны в другую и обеспечивать требуемое изменение стабилизирующего момента. Эффективность установки не зависит от скорости судна: цистерны одинаково умеряют качку на ходу и на стоянке. Недостатки активных цистерн: сложность конструкции, высокая стоимость, применение сложной регулирующей аппаратуры, снижение грузоподъемности судна необходимость затрат дополнительной энергии.

Гироскопический успокоитель качки представляет собой мощный гироскоп, вращающийся на оси в раме. Гироскоп устанавливают вертикально. Крен судна при бортовой качке вызывает поворот оси гироскопа - так называемую прецессию гироскопа. Вследствие этого возникает гироскопический момент, который является стабилизирующим моментом успокоителя. Гироскопические успокоители могут быть как пассивными, так и активными. У пассивного успокоителя прецессия возникает как реакция на качку судна. В активных успокоителях прецессия создается принудительно за счет передачи внешней энергии электродвигателю, управляемому автоматическим регулятором, реагирующим на режим качки судна. Недостатки: значительная масса, большая стоимость, сложность устройства и эксплуатации.