Остойчивость корабля - Ship stability

Остойчивость корабля это область военно-морская архитектура и дизайн корабля, который показывает, как корабль ведет себя в море, как в неподвижной воде, так и на волнах, невредимым или поврежденным. При расчетах устойчивости основное внимание уделяется центры тяжести, центры плавучести, метацентры сосудов и то, как они взаимодействуют.

История

Модель яхты проходит испытания в буксирный танк из Ньюкаслский университет

Стабильность кораблей в военно-морской архитектуре учитывалась на протяжении сотен лет. Исторически расчеты остойчивости корабля основывались на практическое правило расчеты, часто привязанные к определенной системе измерений. Некоторые из этих очень старых уравнений продолжают использоваться в книгах по военно-морской архитектуре. Однако появление основанных на исчислении методов определения стабильности, в частности, введение Пьером Бугером концепции метацентра в 1740-х гг. бассейн модели корабля, позволяют гораздо более сложный анализ.

Мастера-кораблестроители прошлого использовали систему адаптивного и вариантного проектирования. Корабли часто копировались из поколения в поколение с небольшими изменениями; путем копирования стабильных конструкций обычно удается избежать серьезных проблем. Сегодня корабли все еще используют этот процесс адаптации и изменения; тем не мение, вычислительная гидродинамика, тестирование модели корабля и лучшее понимание жидкости и движения корабля позволил гораздо больше аналитического дизайна.

Поперечный и продольный водонепроницаемый переборки были введены в бронированный конструкции между 1860 и 1880-ми годами, переборки для предотвращения столкновений стали обязательными в британских паровых торговые корабли до 1860 г.[1] Раньше пробоина в корпусе в любой части судна могла затопить всю его длину. Поперечные переборки, хотя и дороги, увеличивают вероятность выживания корабля в случае повреждения корпуса, ограничивая затопление поврежденными отсеками, которые они отделяют от неповрежденных. Продольные переборки имеют аналогичное назначение, но необходимо учитывать влияние повреждений устойчивости, чтобы исключить чрезмерное крен. Сегодня на большинстве судов есть средства для выравнивания воды в секциях левого и правого борта (перекрестное затопление), что помогает ограничить структурные напряжения и изменения крена и / или дифферента судна.

Дополнительные системы стабилизации

Дополнительные системы стабилизации предназначены для уменьшения воздействия волн и порывов ветра. Они не повышают остойчивость судна в спокойном море. В Международная морская организация Международная конвенция о грузовой марке не упоминает активные системы остойчивости как метод обеспечения остойчивости. Корпус должен быть устойчивым без активных систем.

Пассивные системы

Трюмный киль

Трюмный киль

А трюмный киль представляет собой длинное, часто V-образное металлическое ребро, приваренное по длине судна на повороте трюма. Трюмные кили используются попарно (по одному на каждый борт судна). В редких случаях судно может иметь более одного трюмного киля с каждой стороны. Трюмные кили увеличивают гидродинамическое сопротивление при крене судна, ограничивая величину крена.

Аутригеры

Аутригеры могут применяться на судах для уменьшения качения либо за счет силы, необходимой для погружения плавучих поплавков, либо за счет гидродинамических крыльев. В некоторых случаях эти аутригеры имеют достаточный размер, чтобы классифицировать судно как тримаран; на других судах они могут называться просто стабилизаторами.

Танки Antiroll

Танки Antiroll внутренние баки оснащены перегородки для снижения скорости переноса воды с левого борта танка на правый борт. Он сконструирован таким образом, что большее количество воды задерживается на верхней стороне судна. Он предназначен для противодействия эффекту эффект свободной поверхности.

Параванес

Параванес могут использоваться тихоходными судами, такими как рыболовные, для уменьшения крена.

Активные системы

Системы активной стабилизации, имеющиеся на многих судах, требуют подачи энергии в систему в виде насосов, гидравлических поршней или электрических приводов. Они включают стабилизирующие ребра, прикрепленные к борту судна или резервуаров, в которых перекачивается жидкость, чтобы противодействовать движению судна.

Ребра стабилизатора

Основная статья: стабилизатор (корабль)

Активный стабилизаторы плавников уменьшить крен, испытываемый судном на ходу или, в последнее время, в состоянии покоя. Они выходят за пределы корпуса судна ниже ватерлинии и изменяют угол атаки в зависимости от угла крена и скорости крена судна, действуя аналогично самолету. элероны. Круизные суда и яхты часто используют этот тип стабилизирующей системы.

Когда плавники не убираются, они представляют собой фиксированные придатки к корпусу, возможно, расширяющие балку или осадочную оболочку и требующие внимания для дополнительного зазора корпуса.

В то время как типичный стабилизатор «активного плавника» эффективно противодействует крену идущих судов, некоторые современные системы активных плавников могут уменьшить крен, когда суда не на ходу. Эти системы, называемые нулевой скоростью или стабилизацией в состоянии покоя, работают, перемещая специально разработанные плавники с достаточным ускорением и синхронизацией импульсов для создания эффективной энергии подавления крена.

Стабилизация крена руля

В случае, если корабль находится в движении, быстрая смена руля не только инициирует изменение курса, но также приведет к крену корабля. Для некоторых кораблей, таких как фрегаты, этот эффект настолько велик, что его может использовать алгоритм управления для одновременного управления кораблем и уменьшения его крена. Такая система обычно именуется "Система стабилизации крена руля ". Его эффективность может быть не хуже, чем у стабилизаторов. Однако это зависит от скорости корабля (чем выше, тем лучше), и различных аспектов конструкции корабля, таких как положение, размер и качество системы позиционирования руля направления (ведет себя так же быстро, как стабилизатор стабилизатора) .Также важно, насколько быстро корабль будет реагировать на движения руля кренами (быстрее - лучше) и скоростью поворота (лучше медленный). Несмотря на высокую стоимость качественного рулевого механизма и усиления кормы корабля , этот вариант стабилизации обеспечивает лучшую экономичность, чем стабилизирующие стабилизаторы. Он требует меньшего количества установок, менее уязвим и вызывает меньшее сопротивление. Более того, требуемые высококачественные компоненты обеспечивают отличные характеристики рулевого управления даже в те периоды, когда уменьшение крена не требуется и значительное снижение подводного шума.Известные военно-морские корабли с таким решением стабилизации: F124 (Германия), M-fregat и LCF (оба - ВМС Нидерландов).

Гироскопические внутренние стабилизаторы

Гироскопы впервые использовались для управления креном корабля в конце 1920-х - начале 1930-х годов для военных кораблей, а затем и для пассажирских лайнеров. Наиболее амбициозное применение больших гироскопов для управления креном корабля было на Итальянский пассажирский лайнер, SS Конте ди Савойя, в котором три больших Сперри гироскопы устанавливались в носовой части корабля. Несмотря на то, что она оказалась успешной в значительном сокращении крена при поездках в западном направлении, систему пришлось отключить на участке в восточном направлении по соображениям безопасности. Это было связано с тем, что при последующем море (и создаваемых им глубоких медленных кренах) судно имело тенденцию «зависать» при включенной системе, а создаваемая им инерция затрудняла выход судна из положения при сильных кренах. [2]

Гироскопические стабилизаторы состоят из спиннинга. маховик и гироскопический прецессия что заставляет лодку выпрямляться крутящий момент по конструкции корпуса. угловой момент маховика гироскопа является мерой степени, в которой маховик будет продолжать вращаться вокруг своей оси, если на него не действует внешний крутящий момент. Чем выше угловой момент, тем больше сила сопротивления гироскопа внешнему крутящему моменту (в этом случае больше способности отменять крен лодки).

Гироскоп имеет три оси: ось вращения, входную ось и выходную ось. Ось вращения - это ось, вокруг которой вращается маховик, она вертикальна для гироскопа лодки. Входная ось - это ось, вокруг которой действуют входные крутящие моменты. Для лодки основной входной осью является продольная ось лодки, поскольку это ось, вокруг которой катится лодка. Главная выходная ось - это поперечная (поперечная) ось, вокруг которой гироскоп вращается или прецессирует в ответ на входной сигнал.

Когда лодка катится, вращение действует как входной сигнал для гироскопа, заставляя гироскоп генерировать вращение вокруг своей выходной оси, так что ось вращения вращается, чтобы выровняться с входной осью. Это выходное вращение называется прецессия и, в случае лодки, гироскоп будет вращаться вперед и назад вокруг выходной оси или оси подвеса.

Угловой момент - это мера эффективности гиростабилизатора, аналогичная номинальной мощности дизельного двигателя или киловаттам генератора. В спецификациях на гиростабилизаторы полный угловой момент (момент инерции умноженное на скорость отжима) - ключевое количество. В современных конструкциях крутящий момент выходной оси может использоваться для управления углом стабилизирующих стабилизаторов (см. Выше), чтобы противодействовать крену лодки, так что требуется только небольшой гироскоп. Идея гироскопа для управления стабилизаторами оперения корабля была впервые предложена в 1932 г. General Electric ученый, доктор Александерсон. Он предложил гироскоп для управления током электродвигателей на ребрах стабилизатора, при этом инструкции по срабатыванию генерируются вакуумные лампы тиратрона.[3]

Расчетные условия устойчивости

Когда спроектирован корпус, расчеты устойчивости выполняются для исправного и поврежденного состояния судна. Корабли обычно проектируются таким образом, чтобы немного превосходить требования к остойчивости (см. Ниже), так как они обычно проверяются на это классификационное общество.

Неповрежденная стабильность

Диаграмма остойчивости корабля, показывающая центр тяжести (G), центр плавучести (B) и метацентр (M) с кораблем в вертикальном положении и креном в сторону. Пока груз корабля остается стабильным, G фиксируется. Для малых углов M также можно считать фиксированным, в то время как B движется как крениться корабля.

Расчеты остойчивости в неповрежденном состоянии относительно просты и включают в себя определение всех центров масс объектов на судне, которые затем вычисляются / вычисляются для определения центра тяжести судна и центра плавучести корпуса. Обычно учитываются расстановки и нагрузки груза, крановые операции и расчетное состояние моря. На диаграмме справа показано, что центр тяжести находится значительно выше центра плавучести, но корабль остается устойчивым. Корабль устойчив, потому что, когда он начинает крениться, одна сторона корпуса начинает подниматься из воды, а другая сторона начинает погружаться. Это заставляет центр плавучести смещаться в сторону, которая находится ниже в воде. Работа морского архитектора - следить за тем, чтобы центр плавучести смещался за пределы центра тяжести, когда корабль кренится. Линия, проведенная из центра плавучести в слегка наклоненном по вертикали состоянии, будет пересекать осевую линию в точке, называемой метацентром. Пока метацентр находится выше киля, чем центр тяжести, корабль устойчив в вертикальном положении.

Устойчивость к повреждениям (Устойчивость в поврежденном состоянии)

Расчет остойчивости при повреждениях намного сложнее, чем остойчивость неповрежденного. Обычно используется программное обеспечение, использующее численные методы, потому что площади и объемы могут быстро стать утомительными и долгими для вычисления с использованием других методов.

Потеря устойчивости из-за затопления может быть частично связана с эффектом свободной поверхности. Вода, накапливающаяся в корпусе, обычно стекает в трюмы, опуская центр тяжести и фактически уменьшаясь (это должно читаться как увеличение, так как вода добавится в качестве веса днища за счет увеличения GM). метацентрическая высота. Это предполагает, что корабль остается неподвижным и вертикальным. Однако, как только судно наклоняется до какой-либо степени (например, на него ударяет волна), жидкость в трюме перемещается в нижнюю сторону. Это приводит к список.

Устойчивость также теряется при затоплении, когда, например, пустой резервуар заполняется морской водой. Из-за потери плавучести танка эта часть корабля немного опускается в воду. Это создает список, если резервуар не находится на средней линии судна.

При расчетах остойчивости, когда резервуар наполняется, предполагается, что его содержимое потеряно и заменено морской водой. Если это содержимое легче морской воды (например, легкая нефть), тогда плавучесть теряется, и секция соответственно немного опускается в воде.

Для торговых судов и все чаще для пассажирских судов расчеты остойчивости при повреждении имеют вероятностный характер. То есть, вместо того, чтобы оценивать судно на предмет отказа одного отсека, также будет оцениваться ситуация, когда два или даже до трех отсеков затоплены. Это концепция, в которой вероятность повреждения отсека сочетается с последствиями для корабля, в результате чего получается индекс устойчивости к повреждению, который должен соответствовать определенным правилам.

Требуемая стабильность

Чтобы быть приемлемым для классификационные общества такой как Бюро Веритас, Американское бюро судоходства, Судовой регистр Ллойда, Корейский регистр судоходства и Det Norske Veritas чертежи корабля должны быть представлены классификационному обществу на независимую экспертизу. Также должны быть предоставлены расчеты в соответствии со структурой, изложенной в правилах страны, в которой судно намеревается находиться под флагом.

В этих рамках разные страны устанавливают требования, которым необходимо соответствовать. Для судов под флагом США чертежи и расчеты остойчивости сверяются с Кодексом федеральных правил США и Международная конвенция по охране человеческой жизни на море конвенции (СОЛАС). Суда должны быть устойчивы в тех условиях, для которых они предназначены, как в неповрежденном, так и в поврежденном состоянии. Степень ущерба, необходимого для проектирования, включена в правила. Предполагаемая дыра рассчитывается как доли длины и ширины судна и должна быть размещена в той области судна, где она может нанести наибольший ущерб устойчивости судна.

Кроме того, Береговая охрана США правила применяются к судам, работающим в портах США и в водах США. Обычно эти правила береговой охраны касаются минимальной метацентрической высоты или минимального восстанавливающего момента. Поскольку в разных странах могут быть разные требования к минимальной метацентрической высоте, большинство судов теперь оснащено компьютерами остойчивости, которые вычисляют это расстояние на лету на основе груза или загрузки экипажа. Для этой задачи используется множество коммерчески доступных компьютерных программ.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ От воина до дредноута автор: D.K. Браун, Chatham Publishing (июнь 1997 г.)
  2. ^ «Итальянский лайнер, бросающий вызов волнам» Популярная механика, апрель 1931 г.
  3. ^ «Ребра, предназначенные для больших лайнеров, чтобы предотвратить скатывание» Популярная механика, август 1932 г.