Успокоители качки на военных кораблях. Раздел ii основы динамики судна. Боковые управляемые рули

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

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,

Успокоителями качки принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна. Действия 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 большие, чем при бортовой качке стабилизирующие моменты.

Успокоители качки делятся на: пассивные и активные. Действи е 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 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 .(рис. 3.7)

Рис.3.7 Пассивные успокоители качки

Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение. Они представляют собой наделки в виде пластин площадью до 4% от площади ватерлинии, установленные по нормали к скуле в средней части корпуса (вдоль линии тока воды) длиной 40%--70% от длины судна. Скуловые кили позволяют снизить амплитуды бортовой качки до 50% . Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: I рода-- закрытого , не сообщающиеся с забортной водой и II рода-- открытого , сообщающиеся с забортной водой. Цистерны наполовину заполнены водой и соединены водными и воздушными каналами с регулирующим клапаном .Клапан регулирует переток воды между цистернами таким образом, чтобы она не поспевала за креном судна и, отставая, переливалась бы по инерции в сторону поднимающегося борта, создавая момент, препятствующий крену судна, что и успокаивает качку. Пассивные успокоительные цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При других условиях и режимах волнения такие успокоители практически не умеряют качку и даже могут привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности жидкости в цистернах так же неблагоприятно влияет на остойчивость судна. Из за указанных причин, пассивные цистерны в настоящее время практически не используются.

Создание стабилизирующего момента с помощью успокоительных цистерн происходит за счёт сдвига фаз колебаний судна и внутренней жидкости. В пассивных цистернах он определяется количеством воды, размерами и положением цистерн, параметрами соединительного канала и может регулироваться лишь в узких пределах. В активных цистернах процесс переливания контролируется в зависимости от измеряемых значений угла крена и угловой скорости бортовой качки, постоянно обеспечивая оптимальную величину сдвига.Эти цистерны эффективны при всех режимах качки. Вес воды в цистернах составляет около 4% от водоизмещения судна. На рис. 3.8 приведена схема стабилизации судна типа "Интеринг ", которую можно использовать и как противокреновую, и для умерения качки.

Рис3.8 Схема активной стабилизации судна.

Бортовые цистерны 1 и 2 соединены в нижней части каналом, а в верхней - воздушным трубопроводом. Подача воздуха от компрессора 3 регулируется автоматическими клапанами 4 и 5 или управляемыми вручную клапанами 6 и 7. Автоматические клапаны открываются по сигналу от кренометра с учетом величины и знаков сигнала датчика угловой скорости и постоянно поддерживают оптимальную задержку переливания жидкости в цистернах. Более эффективно работает система, разработанная фирмой Браун, в которой перетекания жидкости обеспечивается работой водяного насоса. Схема такого успокоителя приведена на рис. 3.9

Рис. 3.9 Активные цистерны фирмы Браун .

Здесь: 1 – двигатель; 2 – автоматическая следящая система, осуществляющая перекладку верхних и нижних клапанов 3 ; 4 - гребной винт насоса, который вращается в одном направлении и осуществляет перекачку воды снизу вверх; 5 – цистерна правого борта; 6 - цистерна левого борта. Двигатель работает непрерывно. Если необходимо перекачать воду из цистерны правого борта в цистерну левого борта, то открывают нижние правые и верхние левые клапаны, как это показано на рис. 3.9, что обеспечивает перекачку воды в заданном направлении. При обратной перекачке вышеуказанные клапаны закрываются, открываются нижние левые и верхние правые клапаны. На рисунке показан максимальный кренящий момент по направлению часовой стрелки, в это же время стабилизирующий момент достигает амплитудного значения, но действует в противоположном направлении. При этом цистерна правого борта почти осушена, а со стороны левого борта близка к заполнению.

Наиболее распространенными активными гидродинамическими успокоителями качки являются бортовые управляемые рули, представляющие собой крылья малого удлинения , которые при их обтекании на ходу судна создают стабилизирующий момент:

где Y i - подъемная сила руля, d i - плечо силыY i относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести корабля,n - число рулей. Схема действующих сил приведена на рис. 3.10,

Рис. 3.10 Схема действующих сил на бортовых рулях.

Подъемная сила крыла определяется известной формулой гидромеханики.

Где ρ - массовая плотность воды, C y - коэффициент подъемной силы, v - скорость обтекания, S - площадь крыла в плане.

Пост управления системой стабилизации расположен на мостике судна. Он включает в себя измерительную аппаратуру, усилители и корректирующие блоки. Силовые блоки исполнительных механизмов находятся в непосредственной близости от стабилизирующих рулей в машинном отделении.

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.

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.