ВЫДВИЖНОЕ УСТРОЙСТВО С ГИДРОДИНАМИЧЕСКИМ ГАСИТЕЛЕМ ВИБРАЦИИ ДЛЯ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК Советский патент 2006 года по МПК B63G8/38 

Изобретение относится к области прикладной гидродинамики и решает задачу гашения вибрации выдвижных устройств (ВУ) подводных лодок (ПЛ).

Для обеспечения радио, радиолокационного и радио-астронавигационного наблюдения на современных подводных лодках устанавливаются различные ВУ. Эти устройства представляют собой консольные цилиндрические мачты, выдвигаемые через сальники прочного корпуса ПЛ, на топе которых устанавливаются антенные посты. Как правило, трубы ВУ не вращаются и ориентированы определенным образом по отношению к вектору скорости набегающего потока, в то время как антенны, могут поворачиваться относительно оси трубы.

При движении ПЛ с выдвинутыми ВУ под водой перед всплытием или в случае быстрого погружения, а также в перископном положении, когда антенные посты находятся над водой, за цилиндрической трубой ВУ, как за плохо обтекаемым телом, образуется вихревой гидродинамический след (фиг.1), обусловливающий возникновение на ней периодических сил. Эти нестационарные гидродинамические силы возбуждают вибрацию всей системы.

Поскольку вибрация отрицательно сказывается на прочности антенного поста и трубы ВУ, а также на точности работы радио, радиолокационных и астронавигационных систем, борьба с ней имеет важное значение и ведется в настоящее время путем установки на ВУ различного рода гасителей вибрации.

Известные гасители по принципу действия разделяются на механические, воздействующие на динамические параметры колеблющейся системы и поэтому особо эффективные в зоне резонансных скоростей хода, и на гидродинамические, увеличивающие демпфирование ВУ поперечным колебаниям или снижающие интенсивность гидродинамических сил, возбуждающих вибрацию ВУ.

Обтекатель и полоса в следе за перископом из-за конструктивной сложности не нашли широкого применения в промышленности.

Пластинчатые гидродинамические гасители, которые можно принять за прототип оказались эффективны только в погруженном положении, когда устройство находится полностью под водой, но, будучи расположенными у топа мачты, они не работают в перископном положении.

Таким образом, разработка конструктивного универсального средства борьбы с вибрацией ВУ является важной и актуальной проблемой при проектировании ВУ современных ПЛ.

Принципиальное отличие предлагаемого гидродинамического гасителя вибрации ВУ от других гидродинамических гасителей заключается в его высокой эффективности во всем диапазоне скоростей хода ПЛ как в рабочем, так и погруженном положениях ВУ. Помимо указанного использование этого гасителя позволит уменьшить бурун у трубы ВУ в перископном положении и тем самым снизить следность ПЛ от выдвинутого устройства.

Для гашения вибрации и буруна предлагается на половине длины мачты ВУ, выступающей над крышей ограждения рубки, прорезать щель в диаметральной плоскости у топа трубы. Ширина щели составляет 0,15÷0,2 диаметра трубы. При существующих вылетах труб ВУ под крышей ограждения около 2,5÷3,0 м протяженность щели составит не более 1,5 м.

Расположение щели в диаметральной плоскости трубы способствует поступлению струи воды из области высокого давления в зону разрежения. Эта струя разрушает вихревой след (фиг.2), устраняя тем самым в районе щели возникновение периодических гидродинамических сил, вызывающих вибрацию трубы ВУ.

Кроме того, размещение щели в районе ватерлинии ВУ в перископном положении ПЛ приводит к перераспределению давлений на поверхности трубы таким образом, что способствуют уменьшению буруна около нее.

Высокая эффективность предлагаемого гидродинамического гасителя вибрации ВУ подтверждена модельными испытаниями в кавитационной трубе, а влияние его на размеры буруна в перископном положении ВУ установлено по модельным испытаниям в опытном бассейне.

Полученные результаты дают основание полагать, что использование предлагаемого способа снижения вибрации позволит увеличить для ВУ эксплуатационные скорости хода (при тех же диаметрах труб), повысив при этом точность и надежность работы антенных постов, а также увеличить скрытность движения ПЛ в перископном положении с выдвинутым ВУ.

Схема работы, конструкция и экспериментальные данные, подтверждающие эффективность предлагаемого гидродинамического гасителя вибрации ВУ, представлены на чертежах 1-4, где:

Фиг.1, 2 - гидродинамическая схема обтекания мачты ВУ в горизонтальной плоскости,

Фиг.1 - обтекание мачты без гидродинамического гасителя вибрации,

Фиг.2 - обтекание мачты в районе расположения гасителя вибрации;

Фиг.3 - график зависимости напряжений в корневом сечении и относительных амплитуд торца модели ВУ в функции от ;

Фиг.4-7 - фотографии буруна, образуемого трубой ВУ в перископном положении при использовании гидродинамического гасителя вибрации,

Фиг.4 - при числе Фруда 1,9,

Фиг.5 - при числе Фруда 2,5,

Фиг.6 - при числе Фруда 3,2,

Фиг.7 - при числе Фруда 3,5;

Фиг.8-11 - фотографии буруна, образуемого трубой ВУ без гидродинамического гасителя вибрации,

Фиг.8 - при числе Фруда 1,9,

Фиг.9 - при числе Фруда 2,5,

Фиг.10 - при числе Фруда 3,2,

Фиг.11 - при числе Фруда 3,5.

У топа мачты ВУ в диаметральной плоскости трубы 1 вырезается щель 2. Для сохранения герметичности трубы в месте выреза ввариваются листы 3, а для придания жесткости трубе - устанавливаются ребра жесткости 4.

Рекомендуемая протяженность щели по высоте трубы такова, что в перископном положении при поднятом ВУ она располагается в районе ватерлинии (положение 1) тем самым способствуя с одной стороны гашению вибрации ВУ, а с другой стороны - уменьшению образуемого трубой ВУ буруна. При опускании ВУ (положение П) вырез в трубе оказывается расположенным между опорами и обязательно выше сальника, находящегося на прочном корпусе ПЛ 5 (так как 0,5L<l). Таким образом, наличие щели в трубе ВУ не нарушает герметичности прочного корпуса ПЛ, а сама труба сохраняет круговую форму поперечного сечения, наиболее удобную для технологической обработки и устройства сальникового уплотнения на прочном корпусе ПЛ.

Предлагаемая конструкция гидродинамического гасителя вибрация проста и может быть внедрена не только на проектируемые ВУ, но и находящиеся в эксплуатации ВУ на ПЛ.

Эффективность гидродинамического гасителя проверена экспериментальным путем в кавитационной трубе Института на динамически подобных моделях ВУ.

Результаты измерения напряжений в корневом сечении от поперечной вибрации σ_у труб моделей ВУ и безразмерных амплитуд колебаний тона моделей представлены на фиг.3. На графике цифрой обозначена кривая, относящаяся к модели обычного ВУ, а цифрой 7 - к модели ВУ с гидродинамическим гасителем вибрации.

Указанные величины построены в функции от безразмерного параметра, характеризующего вибрацию ВУ:

где υ- скорость потока (м/сек),

f - собственная частота поперечных колебаний модели в воде (Гц),

d - диаметр трубы (м).

Как видно из приведенных данных, вибрация ВУ с гидродинамическим гасителем при прочих равных условиях существенно меньше, чем обычного ВУ, т.е. использование щелевого гидродинамического гасителя вибрации ВУ практически устраняет вибрацию ВУ.

На фиг.4-7 представлены фотографии буруна, образуемого моделью ВУ с гидродинамическим гасителем вибрации при различных числах Фруда

где g - ускорение силы тяжести (м/сек²).

На фиг.8-11 представлены фотографии буруна, образуемого цилиндрической трубой без щели в районе ватерлинии, соответственно при тех же числах Фруда, как и для модели ВУ с гидродинамическим гасителем вибрации. Сравнение фотографий показывает, что установка предлагаемого гидродинамического гасителя позволяет уменьшить размеры буруна у трубы ВУ и, следовательно, следность ПЛ при движении с поднятыми ВУ в перископном положении.

Как указывалось выше, причиной возникновения поперечной вибрации цилиндрических труб ВУ, обтекаемых потоком жидкости, является вихревой гидродинамический след, образующийся позади трубы и обуславливающий возникновение на трубе нестационарных гидродинамических сил. Величина этих сил зависит от амплитуды колебания трубы и соотношения динамических свойств ВУ и скорости потока, определяемого величиной . При этом увеличение амплитуды вибрации приводит к росту возмущающих сил. Поэтому наибольшее влияние на вибрацию трубы оказывают сечения, расположенные ближе к свободному концу. Наиболее интенсивная поперечная вибрация труб ВУ имеет место при .

Принципиально на величину амплитуды вибрации трубы ВУ можно повлиять двумя способами: во-первых, увеличением гидродинамического сопротивления колебаниям и, во-вторых, разрушением гидродинамического следа, образующегося позади цилиндрической трубы.

В конструкции предлагаемого гасителя вибрации используются обе возможности снижения интенсивности вибрации ВУ. В районе расположения щели труба имеет острые кромки, образованные пересечением цилиндрической поверхности трубы с плоскостью щели, которые придают трубе большие демпфирующие свойства, с другой стороны, струя воды, поступающая через щель, разрушает вихревой гидродинамический след, т.е. исключается тем самым появление в этом районе нестационарных раскачивающих сил на мачте ВУ. Эффект действия щели усиливается ее удобным расположением вблизи консольного конца трубы.

Вместе с тем наличие щели в районе пересечения трубой поверхности воды (в перископном положении ВУ), способствует выравниванию поля давлений около трубы, благодаря чему уменьшаются размеры буруна, образуемого трубой ВУ.

Изобретение относится к судостроению, а именно, к выдвижным устройствам подводных лодок. Гаситель вибрации выполнен в виде сквозной щели, встроенной в корпус мачты выдвижного устройства, и размещенной у топа мачты в диаметральной плоскости. При этом сквозная щель изолирована от остального объема мачты. Технический результат заключается в снижении вибрации труб выдвижных устройств подводных лодок, а также в уменьшении следности мачты выдвижного устройства в перископном положении. 11 ил.

Выдвижное устройство с гидродинамическим гасителем вибрации для подводных лодок, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности действия гасителя вибрации, а также уменьшения следности мачты выдвижного устройства в перископном положении подводной лодки, в нем гаситель вибрации встроен в корпус мачты выдвижного устройства и выполнен в виде размещенной у топа мачты в диаметральной плоскости сквозной щели, изолированной от остального объема мачты герметичной выгородкой и подкрепленной ребрами жесткости, имеющей ширину около 0,15÷0,20 диаметра мачты и протяженность, определяемую в зависимости от величины вылета мачты над крышей ограждения рубки подводной лодки.