Кормовая оконечность стабилизированного для штормового плавания корабля Российский патент 2017 года по МПК B63B1/08 B63B1/32 B63B1/00 

Изобретение относится к областям наук о кораблестроении и судовождении в сложных, штормовых и ледовых условиях мореплавания, и представляется результатом математических исследований с использованием серии опытовых мореходных испытаний моделей судов, проведенных в обоснование новых морских инженерных разработок и положений целевого непротиворечивого проектирования кораблей и судов для штормовых и ледовых условий мореходства на Дальнем Востоке России; для обеспечения мореходства в полярных акваториях Арктики и Антарктики.

Назначение

Настоящим изобретением устанавливаются обводы и форма кормовой оконечности корабля повышенной штормовой мореходности и ледовой проходимости, обладающего свойствами гидродинамической компенсации ходового дифферента на тихой воде, с должным умерением всех видов качки под воздействием интенсивного трохоидального волнения открытого моря, и способного к активному маневрированию с заданной скоростью и направлением движения в условиях ураганных ветров и интенсивного штормового волнения, и обладающего возможностью автономного ледового плавания во льдах со средней (несплошной) сплоченностью.

Океанский флот повышенной штормовой мореходности и ледовой проходимости должен создаваться по специальным проектам для дальневосточных морей России, что необходимо для организации эффективного ведения морских работ и поддержания транспортных коммуникаций во все сезоны года в любых погодных условиях и что в немалой степени обусловливается практическим отсутствием портов-убежищ для укрытия от штормов кораблей и судов, предназначенных к ведению морских работ в обширных акваториях Сахалина и Курильских островов.

Уровень техники

Непротиворечивое проектирование морской техники оперирует знаниями из опыта хорошей морской практики и инженерными подходами к оптимизации обводов, формы корпуса и общекорабельной архитектуры всепогодного судна, способного к активному использованию палубных устройств и высокотехнологичного бортового оборудования в условиях штормовой качки и холодных ветров северных морей [1].

Концепция целевого проектирования и построения перспективного судна сводится к строгому контролю соответствия исходному эксплуатационному заданию на достижения наивысшей эффективности исполнения задач по предназначению корабля, ведения им морских работ и поддержания морских транспортных коммуникаций во все сезоны года в любых погодных условиях длительного автономного плавания в удаленных штормовых и ледовых акваториях дальневосточных морей России и северной части Тихого океана [2].

В качестве ведущей концепции проектирования обводов и формы корпуса корабля используются инженерно-технические принципы [3] непротивления силовому воздействию со стороны штормовых волн и снижения ударных ледовых нагрузок, что способствует гидродинамической взаимокомпенсации всех видов качки, обеспечению комфортности обитания экипажа и безусловной безопасности крепления грузов и оборудования. Согласованность режимов гидродинамического влияния формы, инерции и гравитационной массы судна на ходу в условиях штормового волнения создает необходимые условия поддержания возможности всепогодной работы корабля в соответствии с предназначением.

Оптимальность выбора обводов корабля в целом и его кормовой оконечности поверялись серией расчетов [4] с использованием интеграла Мичелла [5], физическая и геометрическая интерпретация которого выявляет взаимосвязь между корабельным волнообразованием на больших скоростях хода и силовым воздействием на корпус корабля со стороны морского волнения:

где R_x - волновое сопротивление корабля при скорости движения V₀. Все величины в интеграле Мичелла приведены к размерным физическим функциям и аргументам: A(λ) - амплитуда излучаемой корабельной волны; - соотношение длин для максимальной поперечной волны Λ к расчетной фазовой волне λ; k=2⋅π/λ - волновое число для данной фазовой волны; - круговая частота расчетной волны во времени.

Физико-геометрическая интерпретация гидродинамических процессов в интеграле Мичелла показывает механизм отражения от корпуса корабля внешних волн, набегающих на корпус корабля под косыми углами ϑ в диапазоне длин: , где Λ - длина поперечной корабельной волны, соответствующая скорости хода V₀. В оконечностях корабельной волне не хватает скорости для отрыва от корпуса, и волновые процессы заменяются суммированием амплитуд коротких волн в виде простого источника жидкости вблизи судовой обшивки.

Оптимизация обводов сводится к поиску геометрических форм для пропуска штормовой трохоидальной волны через корпус корабля с минимальными искажениями. Вычислительные эксперименты и мореходные испытания по моделированию корабельного волнообразования и воздействия на корпус трохоидальных штормовых волн [6] подтверждают, что основное влияние на штормовую мореходность корабля оказывает форма носовой части корпуса, в то время как по обводам кормовой оконечности возможны частные и существенно противоречивые проектные заключения, особенно если оптимизационный функционал проектирования определяется для учета какого-либо одного из частных режимов практической эксплуатации судна.

Настоящим изобретением определяется единый и унифицированный комплекс инженерно-технических решений, определенных по результатам математической оптимизации, но в большей степени опирающихся на последующую доработку и экспериментальное опробование кормовых обводов для достижения наилучшей ходкости и стабилизации качки на штормовом волнении, оптимизируемых в комплексе с достижением устойчивой работы винторулевого и стабилизационного комплекса под кормовым подзором корабля.

Корпус судна оптимизируется преимущественно для автономного плавания в условиях интенсивного волнения под ураганными ветрами открытого океана [2, 6], с частичным учетом возможности и безопасности автономного хода судна во льдах (класс УЛ или УЛА) средней сплоченности, до 8-9 баллов, в том числе со скоростью шесть и более узлов под проводкой ледокола.

Прототипом настоящего инженерного решения следует полагать изобретение RU2384456 - «Корабль гидрографической и патрульной службы» [7], в котором определяется назначение и эксплуатационные особенности корабля повышенной штормовой мореходности, учитывающего возможности использования Патента RU 2384457 - «Активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля - штормовой аварийный движитель» [8] с усовершенствованием в плане создания стабилизированного потока под кормовым подзором корабля и безопасности ударов от подвсплывающих обломков ледовых полей. Аналогом для варианта тихоходного судна представляется изобретение RU-2535382 - «Рыболовное судно северных морей» [9], в котором рассматривается устройство крейсерской кормы для снижения качки на курсах с тралом по волне, а также достижение большей безопасности работы траловой команды в условиях интенсивного волнения и штормовых ветров. Историческими аналогами для предлагаемых инженерных решений по формированию кормовой оконечности корабля представляются добротные корабли и суда конца XIX - начала XX веков, не имевшие транцевой кормы по условиям необходимости сохранения ходкости и предотвращения захвата кормовой оконечности штормовой волной (брочинга) при сохранении хода произвольными курсами относительно интенсивного штормового волнения и ураганных ветров на глубокой воде в открытом океане.

Осуществление изобретения

Ахтерштевень и кормовой подзор корабля улучшаются для всепогодного плавания в условиях интенсивного волнения под ураганными ветрами открытого океана, с учетом необходимости автономного хода во льдах средней сплоченности.

Для достижения наилучшей ходкости и маневренности на интенсивном штормовом волнении, обеспечения возможности автономного плавания в ледовых условиях дальневосточных морей России ахтерштевень, кормовая скула и подзор винторулевого комплекса водоизмещающего корабля повышенной штормовой мореходности устраиваются в одно- или в двухвинтовых варианте установки движителей (фиг. 1, 2), в том числе с возможностью установки и использования активных стабилизаторов остаточной килевой и бортовой качки в ускоренных потоках непосредственно за гребными винтами [2], которые при аварийной остановке главных машин автоматически начинают работать в качестве штормовых плавниковых движителей.

Гидродинамическая стабилизация кормовой части корабля обеспечивает возможность движения на тихой воде без ходового дифферента, что согласуется с требованием минимизации внешнего силового воздействия со стороны штормовых волн, а также существенно уменьшаются надводный объем над кормовой раковиной, что минимизирует внешние силы при штормовании на крупном волнении без хода и, как следствие, обеспечивает возможность работы аварийных плавниковых движителей.

Корабельное волнообразование, также как и воздействие штормовых волн, относится к полосе бортовой обшивки на уровнях переменных ватерлиний, омываемых под воздействием вертикальной и килевой качки. В этой полосе ватерлиний создается винтовая поверхность, на протяжении от бортовых булей до кормового подзора, для закручивания и частичного перенаправления потока вблизи бортовой обшивки вверх, что способствует компенсации спутного (гидростатического) разрежения и предотвращению отрыва высокочастотной составляющей корабельной волны; с последующей дисперсионной концентрацией волновой энергии в длиннопериодной части спектра с фазовым смещением для гасящей интерференции с главной компонентой волнообразования - поперечной корабельной волной. Такая винтовая поверхность на уровне переменных ватерлиний формирует малый надводный объем и естественное заострение раковины под крейсерской кормой корабля, что требуется для умерения вертикальной и килевой качки; для предотвращения ударов и опасных захватов кормы корабля (брочинга) гребнями девятых валов на курсах по волне малыми ходами или в случаях аварийной потери хода, а также способствует сохранению слабоискаженного поля штормовых волн под кормовым подзором при остановке главных машин, что автоматически переключает успокоители килевой и бортовой качки в режим штормовых аварийных движителей для удержания корабля на заданном курсе под тягой жестких качающихся крыльев на упругопроворачивающихся горизонтальных баллерах.

Заостренная крейсерская корма не искажает гидродинамическое поле потоков воды в штормовых волнах под кормовым подзором корпуса при остановке главных машин, что автоматически переключает активные успокоители килевой и бортовой качки в режим пассивных штормовых аварийных крыльевых движителей для вывода корабля на безопасный штормовой курс, для чего общее устройство и форма кормовой оконечности должны оптимизироваться для поддержания управляемости даже при той минимальной тяге, которая возникает при вертикальных размахах кормовой оконечности в результате упругой реакции баллеров на пассивных крыльевых движителях;

Вторая винтовая поверхность, с осевой линией по килю корабля, служит созданию закрученного подтока из-под днища корабля в сторону ахтерштевня. По этой винтовой поверхности происходит встречное закручивание существенно большего поддерживающего потока, что позволяет обеспечить взаимокомпенсацию нижнего и верхнего, идущего на уровне переменных ватерлиний, завихренных потоков в зоне кормового подзора, в области действия руля и горизонтальных успокоителей остаточной (нелинейной) килевой и бортовой качки корабля. Оба потока создают суммарную компоненту скорости потока жидкости вертикально вверх на малом удалении от бортовой обшивки, чем предотвращается затягивание битого льда из района бортовых булей в зону кормового винторулевого и стабилизирующего комплекса, и, как следствие, возникают гидродинамические условия для создания устойчивого ледового канала за кормой корабля.

Вышеперечисленные конструктивные особенности, в едином комплексе инженерно-технических решений, способствуют улучшению ходкости, маневренности и умерению качки в условиях интенсивного штормового волнения, а также обусловливают возможность автономного плавания в режиме ледореза во льдах средней тяжести, при котором длительным упором главных машин разделяются или безударно раскалываются ледовые поля относительно небольшой толщины.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Кормовая скула, подзор, раковина и ахтерштевень одновинтового корабля, оптимизированные по условиям минимизации ходового дифферента, корабельного волнообразования и, как следствие, ожидаемого уменьшения силового воздействия на корабль со стороны штормового волнения за счет пропуска штормовых трохоидальных волн через корпус корабля с минимальными искажениями, и что, в случае остановки гребных винтов, обеспечивает большой размах с вертикальными компонентами скоростей жидкости в гребнях штормовых волн, необходимых для активизации крыльевых успокоителей килевой и бортовой качки в качестве пассивных штормовых крыльевых движителей на упругопроворачивающихся горизонтальных баллерах. Одновинтовая схема винторулевого комплекса имеет консольное исполнение кормовой раковины, что требуется для предотвращения оголения гребного винта в условиях интенсивной килевой качки в штормовом плавании.

Фиг. 2. Кормовая скула, подзор, раковина и ахтерштевень двухвинтового корабля, оптимизированные по условиям минимизации ходового дифферента, корабельного волнообразования и, как следствие, ожидаемого уменьшения силового воздействия на корабль со стороны штормового волнения за счет пропуска штормовых трохоидальных волн через корпус корабля с минимальными искажениями, и что, в случае остановки гребных винтов, обеспечивает большой размах с вертикальными компонентами скоростей жидкости в гребнях штормовых волн, необходимых для активизации крыльевых успокоителей килевой и бортовой качки в качестве пассивных штормовых крыльевых движителей на упругопроворачивающихся горизонтальных баллерах. Двухвинтовая схема винто-рулевого комплекса позволяет увеличить полноту кормовой оконечности корабля, при этом за счет разнесения потоков за гребными винтами от диаметральной плоскости корабля, отчасти улучшаются условия работы активных успокоителей качки, в то время режим штормовых движителей с широко разнесенными крыльями будет способствовать некоторому усилению бортовой качки.

На чертежах цифрами отмечены следующие конструктивные особенности судовых обводов в кормовой оконечности корабля:

1. Винтовая поверхность на уровне переменных ватерлиний в зоне корабельного волнообразования и отражения штормовых волн от корпуса корабля.

2. Винтовая поверхность, создающая компенсирующий закрученный поток жидкости из- под днища корабля под кормовой позор - в зону винто-рулевого и стабилизирующего крыльевого комплекса.

3. Завал борта на уровне действующей ватерлинии способствует гидродинамической компенсации бортовой качки корабля, а также перехватывает приподнятые гребнем корабельной волны ледовые поля и не допускает их затопление и затягивание в район винто-рулевого комплекса в кормовой части корпуса.

Список использованных источников

1. Vastly Khramushin. Features architecture of mean ship to navigation in heavy, stormy and ice conditions on the northern seas // Proceedings of the 14th International Ship Stability Workshop / Session 2^∧ Naval Ship Stability, 29^th September - 1^st October 2014, Kuala Lumpur, Malaysia. P. 47-57.

2. Кроленко С.И., Храмушин В.К. Ключевые проектные решения и особенности штормового кораблевождения // Доклады научно-технической конференции: «Проблемы мореходных качеств судов, корабельной гидромеханики и освоения шельфа» (XLIV Крыловские чтения). СПб.: ЦНИИ им. А.Н. Крылова, Центральное Правление РосНТО судостроителей им А.Н. Крылова, секция мореходных качеств судов. 15-16 ноября 2011 г., Санкт-Петербург. С. 72-85.

3 Храмушин В.Н. Исследования по оптимизации формы корпуса корабля. Вестник ДВО РАН. 2003, №1 (107). С. 50-65.

4. «Hull» - Построение аналитической формы корпуса корабля, расчеты волнового сопротивления, кривых элементов теоретического чертежа и диаграмм остойчивости морских судов. Программа для ЭВМ, №2010615849 от 08.09.2010 г. (shipdesign.ru/SoftWare/2010615849.html)

5. Mr. J.Н. Michell on the Wave-Resistance of a Ship. Philosophical Magazine, 1898, vol. 45, Ser. 5, pp. 106-123.

6. Храмушин В.H. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля (История эволюционного развития инженерно-технических решений об обводах и архитектуре корабля, о единении морских наук и хорошей морской практики). LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. Germany, 2011. 288 c.

7. Храмушин B.H. Корабль гидрографической и патрульной службы. Патент №2384456 от 2010.03.20. shipdesign.ru/Invent/05.html

8. Храмушин В.Н. Активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля - штормовой аварийный движитель. Патент №2384457 от 2010.03.20. shipdesign.ru/Invent/04.html

9. Храмушин В.Н. Рыболовное судно северных морей. Патент №2535382 от 2014.07.28 shipdesign.ru/Invent/07.html

Изобретение относится к области судостроения и касается проектирования формы кормовой оконечности корпуса судна, эксплуатируемого в сложных штормовых и ледовых условиях мореплавания. Предложена кормовая оконечность стабилизированного для штормового плавания корабля, сформированная ахтерштевнем и кормовым подзором, которая выполнена в одно- или в двухвинтовом варианте установки движителей с возможностью использования крыльевых стабилизаторов остаточной бортовой и килевой качки и c устройством двух винтовых поверхностей для гидродинамической стабилизации ходового дифферента на тихой воде и в условиях интенсивного штормового волнения: первой - на уровне переменных ватерлиний с протяженностью от завала шпангоутов на бортовых булях до заостренной кормовой раковины крейсерской кормы, и второй винтовой поверхности - опирающейся на килевую линию, с закручиванием потока воды в противоположную сторону из-под днища вверх в зону винторулевого комплекса, скуловые обводы при сопряжении этих винтовых поверхностей создают условия взаимокомпенсации вихревых потоков под кормовым подзором, что требуется для общей стабилизации поступательного течения и гашения внешних волновых возмущений в зоне действия рулей и стабилизаторов качки, Изобретение способствует лучшей ходкости и малой качке в условиях интенсивного штормового волнения, предотвращает набрызговое обледенение верхних палуб и обусловливает возможность автономного плавания во льдах средней тяжести. 2 ил.

Кормовая оконечность стабилизированного для штормового плавания корабля, сформированная ахтерштевнем и кормовым подзором, которая выполнена в одно- или в двухвинтовом варианте установки движителей с возможностью использования крыльевых стабилизаторов остаточной бортовой и килевой качки, отличающаяся устройством двух винтовых поверхностей для гидродинамической стабилизации ходового дифферента на тихой воде и в условиях интенсивного штормового волнения: первой - на уровне переменных ватерлиний с протяженностью от завала шпангоутов на бортовых булях до заостренной кормовой раковины крейсерской кормы, и второй винтовой поверхности - опирающейся на килевую линию, с закручиванием потока воды в противоположную сторону из-под днища вверх в зону винторулевого комплекса, скуловые обводы при сопряжении этих винтовых поверхностей создают условия взаимокомпенсации вихревых потоков под кормовым подзором, что требуется для общей стабилизации поступательного течения и гашения внешних волновых возмущений в зоне действия рулей и стабилизаторов качки, при этом осредненный вектор скоростей течений вблизи бортовой обшивки определяется восходящим потоком воды из-под корпуса, пересиливающим вихревое закручивание от днищевой винтовой поверхности, что важно для предохранения винторулевого комплекса от ударов крупных ледовых обломков на поверхности воды и способствует поддержанию ледового канала за кормой корабля.