> Техника, страница 88 > Успокоители качки
Успокоители качки
Успокоители качки, судовые установки, имеющие целью уменьшение амплитуды качки судна; целью успокоения качки для пассажирских судов является предоставление бблыних удобств жизни пассажирам и личному составу (избавление от морской болезни), а для военных кораблей—обеспечение более надежного и длительного действия артиллерии, т. к. качающееся судно является плохой артиллерийской платформой, стрельба же крупной артиллерии при крене свыше 8° становится невозможной. Кроме того для всех без исключения судов успокоение качки уменьшает силы инерции и другие добавочные усилия, возникающие благодаря наличию качки. У. к. (стабилизаторы) должны отвечать следующим условиям, являющимся критериями пригодности различных систем их: а) возможно полнее умерять собственные колебания судна; б) возможно полнее умерять вынужденные колебания судна, особенно при условиях, близких к резонансу; в) по возможности увеличивать период колебания судна. В качестве. У. к. в настоящее время применяют: боковые кили, успокоительные цистерны Фрама и жироскопические У. к. Имеется предложение использовать боковые горизонтальные рули, помещенные по бортам судна у его ц. т. Кроме того в прежнее время были предложены тяжелые маятники и перемещающиеся грузы.
Боковые кили являются наиболее простыми приспособлениями, находящими применение на коммерч. судах. Они представляют собой скрепленные угольниками с обшивкой судна полосы бульбовой или листовой стали и устанавливаются у скулы с каждого борта судна нормально к наружной обшивке. ^Высота их достигает 1,0 м, а протяженность по длине—до половины длины судна в средней его части. На фигуре 1 приведены различные конструкции боковых килей. При достаточной высоте этих килей получается значительное затухание собственных колебаний судна, особенно при больших углах наклонения. При этом незначительно увеличивается период колебаний. Вынужден^ ные колебания умеряются лишь вблизи явления резонанса. При незначительных наклонениях действие боковых килей не сказывается. У судов с полным образованием мидель-шпангоута (близким к прямоугольнику) наличие боковых килей становится излишним. При больших скоростях судна боковые кили в значительной мере увеличивают сопротивление воды движению судна, поэтому на военных кораблях применения не имеют.
Успокоительные цистерны Фра-м а представляют собою 2 боковых сосуда А А (фигура 2), соединенных внизу водяным соединительным каналом В, а наверху — воздушным каналом С, снабженным вентилем D. Часть боковых сосудов заполнена водою. Диферен-циальное ур-ие движения судна (смотрите также Теория корабля), учитывая и перемещение слоя воды высотою z из одного бокового сосуда в другой, будет.
K^ + P(eo-a)0~ZFybH<=0, (1)
где К—момент инерции массы корабля относительно продольной оси, проходящей через
Фигура 1.
его ц. т., Θ—угол крена судна, Р—вес судна, (ρ0—а)—метацентрич. высота, F—площадь поперечного сечения бокового сосуда, δ—отстояние средней линии воды в сосуде от диаметральной плоскости судна, z=δψ—изменение уровня воды в сосуде относительно среднего уровня в нем при прямом положении судна, ψ—угол наклонения уровня воды в боковом сосуде, у—вес единицы объёма воды. В ур-ии движения судна моментами, сопротивляющимися._на-
клонению судна, являются: момент силы инерции судна, равный К ^ и восстанавливающий момент устойчивости Р(о—а)в, момент же объёма жидкости, перелившегося из одной цистерны в другую, равный произведению веса этого объёма yFz=yFbd’ на плечо 2b, то есть 2ί>δ2ψ, способствует дальнейшему крену судна и потому вводится в ур-ие со знаком минус. Ур-ие движения воды в водяном соединительном канале, считая его длину I от диаметральной плоскости при постоянном поперечном сечении f и неподвижном судне, выразится ур-ием
Ш ^ + /^=0,
где первая часть выражает собой силу инерции столба жидкости в канале, а вторая—силу давления, обусловленную разностью уровней в нем. Помножая на получаем
fiy’ d2z. я dtг "г I
г=0,
где д—ускорение земного притяжения. Последнее ур-ие представляет собою колебание простого маятника длиной I с периодом Т=2π
При переменном сечении соединительного канала f=?>(0> как показано на фигуре 3, вместо I необходимо подставить приведенную длину
П
h=Jy di,
где L—полудлина средней линии канала и бокового сосуда, считая от диаметральной плоскости до нормального уровня воды. Но z== δψ и колебания воды происходят при мгновенной высоте давления Н=2δ (0 — ψ). Учитывая сопротивление воды и считая его пропорциональным первой степени угловой скорости, получим вместо предыдущего ур-ия
^ +=С»)
где h—коэф. пропорциональности сопротивления воды. Момент инерции массы судна К =
= ^г2, где г—радиус инерции. Исключая у> из ур-ий (1) и (2) и вводя для сокращения письма обозначения
ш2 = .£(ео-V
γΖ
получим, отбрасывая, в виду его малости, член
θ> Диференциальное ур-ие вида:
d*Q
+ hm2^- к2т2в =0. (3)
Общим интегралом этого ур-ия будет Θ=e~Plt ((Λ cos q±t + Са sin qxt) +
+ e~Pit (C3cos 2ai + 04sm q2t). (4)
Из него видно, что движение судна состоит из наложения двух затухающих колебаний с периодами
Затухание колебаний определяется множителями e~Plt и e~pit. Амплитуда колебаний зависит от величины коэф-та сопротивления h, к-рую можно изменять помощью клапана Ώ, поставленного на воздушном соединительном канале. В пределе, практически неосуществимом, Pi=Рα= 0 и колебания состоят из двух гармонии. движений, из которых одно имеет заметно больший период. При этом разность фаз колебаний судна и воды в цистерне равна 0. При закрытом клапане вода в цистерне не оказывает на затухание колебаний судна никакого динамич. воздействия и является обычным водяным балластом. Период колебаний при этом равен периоду собственных колебаний судна. .Между этими двумя крайними случаями, при которых не происходит никаких затуханий качки, находится максимальное умерение. Последнее определяется опытным путем, находя надлежащую величину коэф-та /г соответственным открытием клапана Ό. Расчеты и опыт показали, что при весе воды в цистерне ок. 1,5% от водоизмещения происходит весьма энергичное затухание собственных колебаний судна, т. ч. достаточно 2—3 полных колебаний, чтобы погасить значительную начальную амплитуду качки. Исследование показывает также, что водяной канал выгоднее помещать выше оси вращения судна (выше ц. т.). Далее, хорошее умерение качки происходит, если размеры боковых сосудов и водного канала выбраны так, что период собственных колебаний воды в цистерне равен периоду собственных колебаний судна. Чтобы установить умеряющее действие цистерны на волнение, необходимо в правую часть ур-ия (1) вместо 0 подставить возмущающее действие волны (к-рую для простоты считаем имеющей синусоидальную форму):
Р (ρ„ - а) а0=Р (ρ0 - а) ~ sin nt,
где α0—угол волнового склона, г0—полувы-сота волны, λ—длина и п—частота волны. После исключения у> в правой части ур-ия (3) получим вместо 0 добавочные члены
Q sinwf + R cos nt,
где
Q=Ιψ. т2 (к2 - na); R=Ш2п.
При решении подобного ур-ия к ур-ию (4), члены которого при затухании быстро исчезают, добавятся члены вынужденных колебаний A sin nt + В cos nt.
Вводя условное обозначение получим максимальную амплитуду колебаний ε=}/Л- + В2 =
Q2+Rl /si
[n*-(h2 + т2)п2 + k2 {т2-ml)]2 + [hn(n2-m2)]2
Из ур-ия (5) видно, что при к2=п2, то есть при равенстве периодов волны и воды в цистерне, и при h=0 вынужденные колебания исчезают. Но кфО, поэтому при к2=п2 амплитуда вынужденных колебаний весьма мала. Это явление в общей теории колебания двойного маятника известно под именем двойного резонанса. При этом фаза колебаний воды в цистерне отстает от фазы колебаний волн на 180°, то есть действие воды в цистерне на судно противоположно действию волн. Фрам при расчете и конструировании цистерны принял, что период собственных колебаний судна равен периоду колебаний воды в цистерне (к2 — т2), т. к. явление резонанса при качке, а следовательно наибольшие колебания судна будут при совпадении периодов судна и волны, то есть при равенстве периодов колебания воды в цистерне и волны (к2=п2), иначе говоря, при двойном резонансе. Как опыт показал, в этом случае при действии цистерн происходит наиболее энергичное умерение качки. При 1с2=т2 происходит также умерение качки, но менее энергичное. В последнее время применяются цистерны с зным сообщением (.фигура 3), в которых роль соединительного водяного канала играет зная вода. Соединение цистерн с зной водой производится помощью кингстонов, сечение которых определяется надлежащим путем. Отметим, что для умерения качки впервые воду в открытой цистерне применил Ф. Уатте.
Жироскопический У. к. впервые был предложен Шликом. Чтобы понять его действие, припомним основное свойство жироскопа (смотрите также Волчок). Если происходит изменение положения оси вращения жироскопа с угловой скоростью ωχ, то в плоскости, перпендикулярной плоскости поворота системы, возникает момент Μ=Ιωο>ι, где I—момент инерции массы жироскопа, ω—его угловая скорость вращения. Если внешними усилиями невозможно осуществить прецессии”^=0), то в перпендикулярной плоскости не возникает никакого момента, т. ч. изменение положения оси жироскопа в этой плоскости не встречает никакого сопротивления. Если жироскоп поместить так, чтобы его ось была горизонтальна и прочно присоединялась к корпусу судна, то прецессия будет происходить около вертикальной оси. При вертикально расположенной оси, прочно закрепленной с корпусом, прецессия будет происходить около продольной оси судна. В первом случае вследствие большой величины бокового сопротивления воды, а во втором—
из-за большой величины продольной метацен-трич. высоты угловая скорость прецессии ω1будет весьма мала, вследствие чего момент жироскопа Μ=Ιωωχ, противящийся крену судна, будет также мал, и действие жироскопа на уме-рение качки будет почти незаметным. Следовательно давать жироскопу лишь одну степень свободы (вращение вокруг его оси) нерационально. Шлик в своем стабилизаторе дает жиро скопу две степени свободы—вращение волчка вокруг его вертикальной оси и вращение всей системы в диаметральной плоскости судна. Для этого жироскоп заключается в раму, которая устанавливается в плоскости шпангоута и своими цапфами лежит в неподвижных подшипниках (фигура 4). При таком устройстве килевая качка не влияет на жироскоп, а при боковой качке он увлекается судном и вместе с последним кренится на борт. Если при этом жироскоп вращается, то он окажетсопротивление крену судна. В то же время вследствие прецессии жироскоп с рамой наклонится в продольном направлении. Эту прецессию жироскоп можетпро-извести беспрепятственно, не увлекая за собой судна, т. ч. будет умерять лишь боковую качку. Пусть судно накренилось на угол в, а жироскоп отклонился в продольном направ
Фигура 4.
лении на угол ψ, тогда ωι=-^, а ур-ие движе-иия судна будет
К^ + 1а,1Ж + р (8ο~α)θ=0. (10
Пусть р—вес системы жироскопа, момент инерции ее массы относительно оси качания, b—отстояние ее ц. т. от горизонтальной оси качания системы, h—коэф. сопротивления вращению системы жироскопа (включая и тормоза), тогда ур-ие движения жироскопа будет
I^ + I«>% + h% + pb4,=0. (20
Эти ур-ия полностью соответствуют ур-иям (1) и (2), приведенным для цистерны Фрама, т. ч. можно полностью повторить все рассуждения и выводы, приведенные выше. Т. о. и в этом случае имеет место явление двойного резонанса между импульсами волн и движением жироскопа. Как вычисления, так и опыт показывают, что при сравнительно небольшом весе жироскопа получается энергичное умерение качки. Дальнейшее усовершенствование жироскопа Шлика сделано Сперри (активные жироскопы). Последний осуществил не только умерение качки, вызванное импульсами волн, но и остроумным введением вспомогательного жироскопа (пилота) достиг предупреждения качки. Точно так же усовершенствование в жироскопе Шлика внес Фье, применив два связанных между собою жироскопа, имеющих противоположные вращения и прецессию. Особое внимание Фье обратил на торможение прецессии, которое используется непосредственно на умерение качки. Им применено гидравлич. торможение. При наличии жироскопа-успокоителя сист. Сперри и Фье качки практически почти не существует. Жироскопы-успокоители на коммерческих судах почти не находят применения из-за дороговизны, нежности и сложности установки. Они установлены на нескольких яхтах миллиардеров и па судах Гамбургско-Американской линии «Европа» и «Бремен», совершивших первое плавание в 1930 г. На военных кораблях они нашли большое применение.
Инж. Дакремон в 1927 г. предложил для умерения качки применить два горизонтальных руля, установленных по бортам судна у его ц. т. Углы отклонения рулей должен быть противоположны, причем их отклонение должно происходить одновременно. Теоретически умерение качки должно происходить достаточно энергично. Практически это предложение пока не осуществлено. В 80-х годах Торникрофт на миноносце установил для умерения качки груз, перемещаемый поперек судна паровой машиной. Впуск и выпуск пара в машину производился аппаратом, контролируемым маятником очень большого периода. Для миноносца прибор оказался удачным, но для больших судов он получается весьма громоздким. Дальнейшего применения прибор не получил. Кремье предложил приборы, основанные на идее перевода кинетич. энергии качки судна в тепловую при помощи маятников, помещенных в вязкую жидкость. Препятствием к применению подобных приборов является громадное количество тепла, выделяемого от трения маятника в жидкости.
Лит.: Fralm Н., Успокоительные систерны и их удачное применение на судах, пер. с англ., П., 1914; Watts Р., On a Method of Reducing the Rolling of Ships at Sea, «Trans, of the Inst, of Naval Architects», 1883; Watts P., The Use of Waterchambers for Reducing the Rolling of Ships at Sea, ibid.,1885; F r a h m H.„ Neuartige Schlingertanks zur Abdampfung des Schiffsroll-bewegungen, «Jahrb. d. Schiffb. Ges.», 1911; S cb H cl, Der Schiffskreisel, ibid., B., 1909; Sperry, The Gyroscope for Marine Purposes, «Engineering», L., .1911; Sperry, Active Type of Stabilizing Gyro, ibid., 1913; Sperry, Recent Progress with the Active Type of Gyro-stabiliser for Ships, «Trans, of the Soc. of Naval Architects and Engineers», N. Y., 1915; D a c r e m ο n t, La stabilisation des navires, «Bull, techn. du Bureau Veritas», P., 1927, 8; F i e u x, Expose synthitique et resultats d’essaisdun appareil anti-rouiis du type passive a gyroscops iumeies,ibid., 1928, 7; Horn, Theorie des Schiffes, Handbuch d. physikalischen u. technischen Me-chanik, hrsg. v. S’. Auerbach u. W. Hort. B. 5, Lief. 2, Lpz., 1928 0. Яковлев.