К. Чайников - Общее устройство судов
в) килевую (или продольную) качку – колебания судна в диаметральной плоскости также в виде угловых перемещений. При плавании судна на взволнованной поверхности воды часто все три вида качки возникают одновременно или в различных комбинациях. Существенное влияние на все виды качки судна оказывает направление его движения по отношению к бегу волны. Качка судна вредно отражается на его эксплуатационных и мореходных качествах.
Перечислим вредные последствия качки:
а) периодический подъем и зарывание в волну оконечностей судна, вызывающие дополнительное сопротивление движению и выход из воды гребного винта, что приводит к потере его упора и снижению скорости хода, увеличению расхода топлива, заливаемости палубы и ухудшению условий обитаемости судна;
б) создание таких условий, которые могут привести к опрокидыванию судна из-за потери им поперечной остойчивости;
в) ухудшение условий эксплуатации машин и механизмов, а также дополнительные нагрузки на прочные связи корпуса от удара волн и действия сил инерции, возникающих при качке;
г) снижение эффективности артиллерийской или торпедной стрельбы на кораблях, затруднение работы ракетных установок;
д) вредное физиологическое воздействие на людей (заболевание морской болезнью).
Принято различать два вида колебаний судна на качке: свободные (на тихой воде), которые происходят по инерции после прекращения сил, вызвавших их, и вынужденные , которые вызываются внешними периодически приложенными силами, например морским волнением.
Рис. 19. Характеристики качки: а – амплитуда; б – размах; в – период качки.
Основной причиной качки судна является одновременное действие на него волн, сил плавучести и остойчивости. Основными характеристиками качки как периодического колебательного движения судна являются: амплитуда, размах и период качки (рис. 19).
Амплитудой качки называется наибольшее отклонение судна от исходного положения, измеренное в градусах.
Размах качки – сумма двух последовательных амплитуд (наклонение судна на оба борта).
Период качки -время между двумя последовательными наклонениями или время, в течение которого судно совершает полный цикл колебаний, возвращаясь к тому положению, при котором начался отсчет.
Период качки судна оказывает влияние на характер качки: при большом периоде качка совершается плавно, наоборот, при малом периоде качка происходит порывисто, вызывая тяжелые последствия.
Период (в секундах) свободной бортовой качки вычисляется по следующей формуле:
где k – коэффициент, зависящий от типа судна; его величина лежит в пределах 0,74/0,80;
В – расчетная ширина судна по действующую ватерлинию, м;
h0 – начальная поперечная метацентрическая высота, м.
Из приведенного значения видно, что судно, обладающее большой остойчивостью, имеет порывистую качку, существенно влияющую на его эксплуатацию.
Период (в секундах) свободной вертикальной качки на тихой Rone насчитывается по приближенной формуле
а килевой качки – по формуле
где Т0 – осадка судна, м.
При плавании судна на взволнованной воде, поскольку судно увлекается движением воды и до некоторой степени является поверхностной частицей, участвующей в орбитальном движении, равнодействующая приложенных к судну сил веса, сил плавучести и сил инерции направлена по нормали к склону воды. Изменение профиля волны непрерывно отражается на форме подводного объема судна и его величине, что приводит к вынужденным колебаниям судна.
Следовательно, характер вынужденных колебаний судна зависит от профиля волны, а их период всегда равен периоду волны. Для уменьшения качки судна принимают ряд мер, условно разделяемых на общие и специальные. К общим мерам относится рациональный выбор формы теоретического чертежа судна , а к специальным- установка конструкций – успокоителей качки , создающих моменты, противодействующие качке судна.
Общими мерами, направленными на уменьшение заливаемости судна и погружение его оконечностей в волну, являются: седловатость палубы, расширение верхней части носовых шпангоутов, образующее развал бортов, а также установка в носовой части верхней палубы водоотбойного козырька, который разрушает покрывающую судно волну и отводит ее к бортам.
Для успокоения наиболее неблагоприятной и опасной бортовой качки применяют специальные меры, заключающиеся в установке успокоителей качки, которые делят на пассивные и активные. Действие первых основано на использовании энергии качания самого судна, действие вторых – на использовании внешних источников энергии, они искусственно управляются. Рассмотрим наиболее простые и эффективные успокоители качки.
1) Боковые (скуловые) кила (рис. 20) представляют собой простейшие пассивные успокоители, имеющие вид наделок в виде пластин площадью до 4% от площади ватерлинии. Эти пластины устанавливают по нормали к скуле в средней части корпуса вдоль линии тока воды, длиной до 40% от длины судна. Принцип действия этих килей заключается в создании момента, обратного моменту качания судна. Под действием таких боковых килей амплитуда бортовой качки уменьшается до 50%.
2) Бортовые пассивные цистерны (рис. 21) устроены по принципу сообщающихся сосудов в виде бортовых цистерн, соединенных водными и воздушными каналами с клапаном, регулирующим переливание воды между цистернами. Клапан регулирует воду с таким расчетом, чтобы она не поспевала за креном судна, а, отставая, переливалась бы по инерции в сторону поднимающегося борта, когда момент воды в цистерне, противодействуя наклонению судна, успокаивает его качку.
Рис. 20. Боковые кили и их конструкция.
Эти цистерны дают хорошие результаты как успокоители только при режимах качки, близких к резонансу. Во всех прочих случаях они почти не умеряют качку, а даже увеличивают его амплитуду.
Рис. 21. Бортовые пассивные цистерны и положение в них жидкости при качке судна в резонанс с волной.
3) Бортовые активные цистерны представляют собой такие же бортовые цистерны, соединенные каналами, но вода в них перетекает под воздействием автоматически регулируемых насосов. Эти цистерны действуют эффективно при всех режимах качки судна. Вес воды, находящейся в активных цистернах (обычно их используют под пресную воду или топливо), должен составлять приблизительно 4% от водоизмещения судна.
4) Управляемые боковые рули (рис. 22) являются активными успокоителями качки и устанавливаются в подводной части корпуса в том районе, где ширина судна наибольшая.
Рис 22 Схема работы управляемых боковых рулей левого борта, 1 – аппаратура управления; 2 – система управления; 3 – приводы рулей; 4- ниши для рулей; 5 -перо руля левого борта; 6 – перо руля правого борта. V-скорость и направление набегающего потока; Р – подъемная сила; F – лобовое сопротивление.
Перекладка рулей производится автоматически: на всплытие – на погружающемся борту, на погружение – на всплывающем борту судна. Подъемные силы, возникающие на рулях, образуют момент, обратный наклонению судна, умеряющий амплитуду качки до четырехкратного ее размера. Так как подъемная сила рулей зависит от скорости судна, боковые рули эффективны только на быстроходных судах.
При отсутствии качки для устранения дополнительного сопротивления движению судна и предотвращения поломки рулей при швартовке бортом боковые рули убирают в специальные ниши внутрь корпуса судна.
Рис. 23. Схема устройства гироскопического успокоителя качки. 1 – гироскоп; 2 – рама гироскопа; 3 – цапфы, конструктивно связывающие раму с корпусом; 4 – устройство, поворачивающее или тормозящее раму гироскопа.
5) Гироскопический успокоитель (рис. 23) основан на использовании гироскопического эффекта – свойстве гироскопа сохранять неизменной ось своего вращения. Гироскопический момент в значительной степени компенсирует кренящий момент, снижая амплитуду качки. Успокоитель представляет собой маховик, вращающийся в раме, связанной на шарнирах с корпусом судна.
При бортовой качке судна рама гироскопа самопроизвольно раскачивается в ДП. Если эти качания рамы тормозить или принудительно поворачивать раму при помощи специального электродвигателя, то она будет оказывать на цапфы добавочные давления, образующие пару, противодействующую качке судна. Например, такой успокоитель (с маховиком весом 20 т) установлен на американской подводной лодке «Джордж Вашингтон».
Управляемостью судна называется его способность удерживать заданное направление движения или изменять его в соответствии с перекладкой пера руля. Управляемость характеризуется, с одной стороны, способностью судна противостоять на ходу действию внешних сил, затрудняющих удержание заданного направления движению, – устойчивостью на курсе и, с другой стороны, способностью судна изменять направление движения и двигаться по криволинейной траектории – эта способность называется поворотливостью.
