7.6. Успокоители качки

7.6.1. Общие сведения и классификация успокоителей

В первой главе были указаны вредные последствия, к которым приводит качка судна. В связи с этим многими изобретателями были предложены различные устройства, предназначенные для уменьшения интенсивности качки. Эти устройства объединяются общим названием «успокоители качки».

Различные типы успокоителей качки устанавливаются на многих транспортных судах с целью повышения их мореходности. На промысловых судах успокоители качки расширяют возможность судов в сложных гидрометеорологических условиях осуществлять свою производственную деятельность. Особо важное значение успокоители качки имеют для пассажирских судов.

Исследования и разработки успокоителей качки начались около 100 лет тому назад. За это время было предложено несколько сот различных систем, однако подавляющее большинство из них не было испытано, а из осуществленных многие не получили распространения по различным причинам. В основном на суда устанавливаются успокоители бортовой качки, хотя в настоящее время ведутся разработки и экспериментальные исследования успокоителей продольной качки, направленные на получение удобного в эксплуатации и эффективного успокоителя этого вида качки.

Главнейшими признаками, по которым классифицируются успокоители качки, являются: принцип создания стабилизирующего момента и наличие или отсутствие управления действием успокоителя. По первому признаку применяемые в настоящее время успокоители разделяются на гравитационные, в которых стабилизирующий момент создается силой тяжести перемещающихся масс, и гидродинамические, в которых такой момент образуется давлением забортной воды на рабочий орган успокоителя. По второму признаку успокоители разделяются на активизированные, имеющие системы автоматического управления и силовые приводы, и пассивные, в которых эти устройства отсутствуют.

В успокоителях гравитационного типа в качестве перемещающихся масс, как правило, используют жидкость и их конструируют в виде успокоительных цистерн как пассивного, так и активизированного типов.

7.6.2. Успокоительные цистерны

Цистерны Фрама. Цистерна Фрама 1-го рода, схематически изображенная на рис. 7.42, представляет собой U-образную емкость, частично заполненную жидкостью. Вертикальные колена цистерн выполняются в виде бортовых выгородок, которые внизу соединяются водяным, а вверху воздушным каналами. Таким образом, жидкость в цистерне имеет возможность перетекать из одного колена в другое и представляет собой жидкий маятник.

Конструктивные размеры цистерны и ее заполнение выбираются такими, чтобы период колебаний жидкости можно было сделать равным периоду собственных колебаний судна. В этом случае цистерна является колебательной системой, резонансно настроенной с судном, и наиболее эффективное ее действие будет соответствовать качке судна в условиях резонанса.

Как было отмечено ранее, судно в условиях резонанса испытывает качку с отставанием по фазе на 90° по отношению к возмущающему моменту, создаваемому волной. Но колебания жидкости в цистерне в этих условиях резонанса будут отставать по фазе на 90° по отношению к колебаниям судна. Таким образом, кренящий момент, создаваемый перетекающей жидкостью в цистерне, будет отставать от возмущающего момента на 180°, т. е. находиться в противофазе с ним, как это показано на рис. 7.43.

Ц истерна, настроенная в резонанс с судном, существенно уменьшает амплитуду качки в условиях его резонанса с волной. При других часто-тах встречи судна с волной благоприятное соотношение фаз нарушается и полезное действие цистерны падает. Эффективность снижения качки при резонансе возрастает вместе с ростом статической характеристики цистерны, т. е. угла крена судна , при перетекании всей жидкости на один борт: , где – площадь поверхности воды в вертикальном колене; 2с – расстояние между осями вертикальных колен; – активная высота бортового колена.

Однако одновременно с ростом и уменьшением внутреннего демпфирования возрастают амплитуды качки вне резонансной зоны частоты. Поэтому для цистерн, предназначенных для работы в широком диапазоне частот, обычно не превышает величины 3,5°.

Ц истерна Фрама 2-го рода, называемая также открытой цистерной, представляет собой видоизменение рассмотренной выше цистерны и отличается от нее отсутствием нижнего канала, вместо которого вертикальные колена через отверстия в нижней части соединяются с забортной водой (рис.7.44).

Исследования цистерн этого типа показали, что для того, чтобы они работали как резонансно настроенные, т. е. разность фаз между колебаниями жидкости и судна была около 90°, относительная площадь отверстий должна быть приблизительно , где – суммарная площадь отверстий, сообщающих вертикальную цистерну одного борта с забортной водой.

В связи с тем что втекающая в цистерну забортная вода приобретает кинетическую энергию, двигаясь вместе с судном, а вытекая обратно безвозвратно ее уносит, эта потеря энергии компенсируется дополнительным сопротивлением движению судна и, следовательно, некоторым снижением его скорости. Вследствие этого цистерны 2-го рода не ставятся на скоростные суда.

Вообще, несмотря на практически одинаковую эффективность успокоения качки цистернами обоих типов при равных активных объемах их вертикальных частей, успокоительные цистерны Фрама 2-го рода применяются значительно реже.

Цистерны типа «Флюм» (рис. 7.45). Цистерны этого типа являются цистернами со свободной поверхностью жидкости, но относятся к резонансно настроенным. Они имеют большое разнообразие в отношении конструктивного оформления, расположения на судне и конфигурации.

Характерной их особенностью является одинаковая высота бортовых частей и соединительного канала. Цистерна частично заполняется жидкостью, как показано на рисунке, и имеет свободную поверхность.

Изменяя высоту налива и тем самым рабочую площадь сечения канала, можно регулировать частоту свободных колебаний жидкости и настраивать ее в резонанс с собственной частотой качки судна, что обеспечивает периодическое изменение момента от перетекания жидкости в цистерне в противофазе с моментом, создаваемым волной.

Преимуществом цистерн типа «Флюм» по сравнению с цистернами Фрама является возможность значительного изменения частоты колебаний жидкости, что существенно для судов, у которых частота собственных колебаний в процессе эксплуатации изменяется в широком диапазоне.

Цистерны фирмы «Интеринг» (рис. 7.46.) В последнее десятилетие получили распространение активизированные цистерны, предложенные фирмой «Интеринг». Эти цистерны используются для двух целей – как успокоители качки в условиях плавания на волнении и как противокреновые системы при производстве грузовых работ.

П

Рисунок 7.46. – Цистерна типа «Интеринг»:

1 – цилиндр с клапаном; 2 – маятник; 3 – U-образные мерительные трубки;

4 – комплекс датчиков; 5 – ход жидкости в цистерне

ри работе в качестве противокреновой системы в соответствующее бортовое колено цистерны подается компрессором сжатый воздух, который перегоняет воду в противоположное колено. Контроль угла крена при этом производится маятником, перекрывающим одну из воздушных насадок. Поскольку в этом случае не требуется быстрого перемещения воды с борта на борт (это осуществляется примерно за 3 мин), мощность компрессора невелика.

При работе в качестве успокоителя качки компрессор отключается и цистерна работает как пассивная, но в верхнем положении вода задерживается перекрытием воздушного канала. Для выработки наивыгоднейшего режима управления клапанами система снабжена ЭВМ, которая получает сигналы от двух U-образных трубок с жидкостью, в которые вмонтированы датчики давления, чувствительные к углу крена и угловой скорости качки.