Понятие о качке судна. Устройство для уменьшения качки судна на волнении Типы якорей

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 сообщающеегося 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.

Рис. 1
Рис. 2 Состав успокоительной цистерны. 1 - скуловой киль, 2 - усиление, 3 - бортовая качка, 4 - сопротивление демпфирования скуловых килей Рис. 3 Успокоительные цистерны. 1 — успокоительные цистерны; 2 — воздушный вентиль; 3 — соединительный воздушный канал; 4 — бортовые диптанки; 5 — переливной канал; б — бортовая качка судна; 7 — вода в цистерне Рис. 4 Судовой гироскоп. 1 — момент М гироскопа; 2 - кренящий момент М; 3 — пара сил в качающемся рамочном подшипнике; 4 — ось вращения гироскопа; 5 — прецессия; 6 — тормозной момент качающегося рамочного подшипника; 7 — направление поворота гироскопа (угловая скорость) ; 8 — скорость прецессии

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

Рис. 5 Рис. 6 Активные боковые рули. 1 — втягивающиеся рули; 2 — заваливающиеся рули; 3 — силы, действующие на рули; 4 — направление хода судна, 5 — направление бортовой качки 6 — вращающий момент рулей

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 и 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 (рис. 4).

Определение метацентрической высоты судна по периоду бортовой качки

В процессе эксплуатации судоводителю часто необходимо проконтролировать значения метацентрической высоты судна при различных случаях его нагрузки. Такая необходимость возникает, например, по мере расходования запасов пресной воды и топлива, когда решается вопрос о целесообразности приема балласта. Опыт кренования дает вполне надежные результаты, но требует много времени, определенных условий и специальной подготовки.

Значительно проще можно оценить поперечную метацентрическую высоту h, если известны период бортовой качки Т θ и коэффициент С по формуле, полученной из капитанской формулы:

h = 4 · C 2 · B 2 T θ 2

Период качки Т θ можно определить с помощью записи затухающих свободных колебаний судна гироскопическими кренографами либо инклинографами, снабженными отметчиками времени.

Практически период качки Т θ можно определить следующим образом. Когда судно находится в одном из крайних наклоненных положении, включают секундомер. Отсчитав 10 полных колебаний, останавливают секундомер в момент, когда судно приходит в исходное наклонное положение. Период Т θ определяют, разделив отсчитанное по секундомеру время на 10.

Описанный приближенный способ дает удовлетворительные результаты при отсутствии на судне свободных поверхностей жидких грузов, а также в том случае, когда поправка на их влияние составляет не более 5 % метацентрической высоты для данной нагрузки.

Результат вычисления метацентрической высоты h зависит и от удачного выбора значения коэффициента С, входящего в выражение для h. Для этого необходимо принимать его значения по известным значениям коэффициента С, для однотипных или близких по конструкции судов. Коэффициент С = 0,36 ± 0,43 в зависимости от типа судна.

Предлагается к прочтению:

Качкой называются колебательные движения, которые судно совершает около положения его равновесия.

Колебания называются свободными (на тихой воде), если они совершаются судном после прекращения действия сил, вызвавших эти колебания (шквал ветра, рывок буксирного троса). Из-за наличия сил сопротивления (сопротивления воздуха, трения воды) свободные колебания постепенно затухают и прекращаются. Колебания называются вынужденными , если они совершаются под действием периодических возмущающих сил (набегающие волны).

Качка характеризуется следующими параметрами (рис. 8): амплитудой θ - наибольшим отклонением от положения равновесия; размахом - суммой двух последовательных амплитуд; периодом Т - временем совершения двух полных размахов; ускорением .

Качка затрудняет эксплуатацию машин, механизмов и приборов из-за воздействия возникающих сил инерции, создает дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса судна, оказывает вредное физическое воздействие на людей.

Рис. 8. Параметры качки: θ 1 и θ 2 амплитуды; θ 1 + θ 2 размах.

Различают бортовую, килевую и вертикальную качку. При бортовой качке колебания совершаются вокруг продольной оси, проходящей через центр тяжести судна, при килевой - вокруг поперечной. Бортовая качка при малом периоде и больших амплитудах становится порывистой, что опасно для механизмов и тяжело переносится людьми.

Период свободных колебаний судна на тихой воде можно определить по формуле Т = c(B/√h, где В - ширина судна, м; h - поперечная метацентрическая высота, м; с - коэффициент, равный для грузовых судов 0,78 - 0,81.

Из формулы видно, что с увеличением метацентрической высоты уменьшается период качки. При проектировании судна стремятся достигнуть достаточной остойчивости при умеренной плавности качки. При плавании на волнении судоводитель должен знать период собственных колебаний судна и период волны (время между набеганием на судно двух соседних гребней). Если период собственных колебаний судна равен или близок периоду волны, то наступает явление резонанса, которое может привести к опрокидыванию судна.

При килевой качке возможно либо заливание палубы, либо при оголении носа или кормы их удары о воду (слеминг). Кроме того, ускорения, возникающие при килевой качке, значительно больше, чем при бортовой. Это обстоятельство должно учитываться при выборе механизмов, устанавливаемых в носу или в корме.

Вертикальная качка вызывается изменением сил поддержания при прохождении волны под судном. Период вертикальной качки равен периоду волны.

Для предотвращения нежелательных последствий от действия качки судостроители применяют средства, способствующие если не полному прекращению качки, то по крайней мере умерению ее размахов. Особенно остро стоит эта проблема для пассажирских судов.

Для умерения килевой качки и заливания палубы водой у ряда современных судов делают значительный подъем палубы в носу и в корме (седловатость), увеличивают развал носовых шпангоутов, проектируют суда с баком и ютом. При этом в носу на баке устанавливают водоотбойные козырьки.

Для умерения бортовой качки применяют пассивные неуправляемые или активные управляемые успокоители качки.

К пассивным успокоителям относят скуловые кили , представляющие собой стальные пластины, устанавливаемые на протяжении 30 - 50 % длины судна в районе скулы вдоль линии тока воды (рис. 9). Они просты по устройству, уменьшают амплитуду качки на 15 - 20%, но оказывают значительное дополнительное сопротивление воды движению судна, уменьшая скорость хода на 2-3 %.

Рис. 9. Схема действия скуловых (боковых) килей.

Пассивные цистерны - это цистерны, устанавливаемые по бортам судна и соединенные между собой внизу переливными трубами, вверху - воздушным каналом с разобщительным клапаном, регулирующим переливание воды с борта на борт. Можно так отрегулировать сечение воздушного канала, что жидкость при качке будет переливаться с борта на борт с запаздыванием и тем самым создавать кренящий момент, противодействующий наклонению. Эти цистерны эффективны при режимах качки с большим периодом. Во всех прочих случаях они не умеряют, а даже увеличивают ее амплитуду.

В активных цистернах (рис. 10) вода перекачивается специальными насосами. Однако установка насоса и автоматического устройства, управляющего работой насоса, значительно усложняет и удорожает конструкцию.

Рис. 10. Активные успокоительные цистерны.

В настоящее время на пассажирских и научно-исследовательских судах чаще всего применяют активные боковые рули (рис. 11), представляющие собой рули обычного типа, устанавливаемые в наиболее широкой части судна несколько выше скулы почти в горизонтальной плоскости. С помощью электрогидравлических машин, управляемых по сигналам от датчиков, реагирующих на направление и скорость наклонения судна, можно менять их угол атаки. Так, при наклонении судна на правый борт на рулях устанавливают угол атаки таким, чтобы возникающие при этом подъемные силы создавали моменты, обратные наклонению. Эффективность рулей на ходу достаточно высока. При отсутствии качки рули убирают в специальные ниши в корпусе, чтобы не создавать дополнительного сопротивления. К недостаткам рулей можно отнести их малую эффективность при малых ходах (ниже 10 - 15 уз) и сложность системы автоматического управления ими.

Рис. 11. Активные боковые рули: а - общий вид; б - схема действия; в - силы, действующие на боковой руль.

Успокоителей для умерения килевой качки не существует.

Следует отметить, что подводные суда и суда с малой площадью ватерлинии практически не испытывают качки и, следовательно, отсутствует необходимость оборудования этих судов устройствами для ее умерения.

Качкой называют колебательные движения около положения

равновесия, совершаемые свободно плавающим на поверхности

воды судном. Различают бортовую, килевую и вертикальную качки. Бортовой качкой называют колебательные движения, проходящей в ДП продольной оси. Килевой качкой называют колебательные движения, совершаемые судном вокруг поперечной оси. Вертикальной качкой называют колебательные движения, совершаемые судном в вертикальной плоскости вверх и вниз и вызываемые изменением сил поддержания при прохождении ВОЛНЫ.

131. Период и амплитуда качки

амплитудой - наибольшим отклонением от среднего до крайнего положения качающегося тела; периодом - временем совершения двух полных размахов;

132. Связь качки и остойчивости судна

Чем меньше период тем быстрее качка, чем больше период тем качка затяжнее. Cb от 0.6 до 0.8 для средних и больших судов

133.Успокоители качки.

Для предотвращения неприятных последствий от действия качки на судах применяют успокоители качки, которые по характеру действия делятся на пассивные - неуправляемые, и активные - управляемые. Самыми простыми успокоителями качки, применяемыми практически на всех судах, являются скуловые (боковые) кили. Более значительное уменьшение амплитуд бортовой качки

можно получить, установив активные боковые рули. Успокоения килевой качки в принципе можно добиться, установив управляемые горизонтальные рули (типа боковых) в

оконечностях судна, но пока такие успокоители практически не применяют.

134. Перечислите элементы рулевого устройства

Руль состоит из пера и баллера. Перо - это плоский или, чаще, двухслойный обтекаемый щит с внутренними подкрепляющими ребрами, площадь

которого у морских судов составляет 1/40- 1/60 площади погруженной

части ДП. Б а л л е р - это стержень, при помощи которого

поворачивают перо руля.

135. Типы рулей

В зависимости от расположения руля относительно оси

вращения различают обыкновенные рули, у которых

перо полностью расположено в корму от оси вращения; балансирные рули, у которых перо разделено осью вращения на две неравные части: большая - в корму от оси, меньшая - в нос; полубалансирные рули отличаются от балансирных тем, что балансирная часть сделана не по всей высоте руля.

136. Перечислить элементы якорного устройства

Якорное устройство служит для обеспечения надежной стоянки

в море, на рейде и в других местах, удаленных от берега, путем

крепления за грунт с помощью якоря и якорной цепи. В его состав входят: якоря, якорные цепи (канаты), якорные машины, якорные клюзы и стопоры.

137. Типы якорей. Якорные цепи

Якоря в зависимости от их назначения разделяют на становые, предназначенные для удержания судна в заданном месте, и вспомогательные - для удержания судна в заданном положении во время стоянки на основном якоре. К вспомогательным относится

кормовой якорь - стоп-анкер, масса которого составляет 1/3 массы. Якорная цепь служит для крепления якоря к корпусу судна. Она состоит из звеньев (рис. 7.11), образующих смычки длиной 25-27 м, соединенные одна с другой при помощи специальных разъемных звеньев. Смычки образуют якорную цепь длиной от 50 до 300 м. В зависимости от расположения в якорной цепи различают якорную (крепящуюся к якорю), промежуточные и коренную смычки. Крепят якоря к якорной цепи при помощи якорных скоб. Чтобы предупредить скручивание цепи, в нее включают поворотные звенья вертлюги. Для крепления и экстренной отдачи коренного конца якорной цепи применяют специальные устройства с откидным гаком, так называемым глаголь-гаком, позволяющим легко освободить судно от вытравленной якорной цепи.