Успокоители качки на военных кораблях. Раздел ii основы динамики судна

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.

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,

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

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.

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.