Большой морской буй заданной волностойкости и остойчивости

Большой морской буй заданной волностойкости и остойчивости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к средствам навигационного обеспечения морскими буями большого водоизмещения глубоководных фарватеров на подходе к портам и гаваням, подверженным значительному морскому волнению. Оно может быть также применено для автономных буйковых станций (АБС), осуществляющих мониторинг морской среды, а также другие специальные функции.

Известные Большие морские буи (БМБ) (Справочник по средствам навигационного оборудования. Часть 1, Л. ГУИНО, 1983 г.) представляют собой бочкообразную плавучесть диаметром 2,5÷2,6 м и общей высотой корпуса 2÷2,5 м. Над ней возвышается мачта ферменного типа, на которой размещаются светооптический аппарат (СОА), радиолокационные отражатели (РЛО) и ревун. На АБС на мачте размещается также аппаратура измерения параметров воздушной среды и волнения, а также радиопередающая антенна. Главным недостатком БМБ и АБС является нерациональная архитектурная форма, которая целиком воспринимает волновые возмущающие силы и моменты. Результатом этого являются усиленная вертикальная и угловая качка БМБ и АБС и нередкие обрывы удерживающих их связей.

Известно техническое решение патенту РФ 2011599 (Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В. Полупогружное основание морского сооружения, бюл. №8 от 30.04.94) - аналог. В соответствии с этим патентом для нейтрализации вертикальных волновых возмущающих сил буй должен выполняться в виде длинного полупогруженного цилиндра общей длиной не менее 1,35-1,5 расчетной высоты волны h_p, при этом на глубине Т_д≥1,2 расчетной амплитуды волны А_р=0,5h_p буй должен иметь плоский или объемный пассивно-активный демпфер (ЛАД), размеры которого определяются расчетной длиной волны λ_р. Буй, выполненный по рекомендациям этого патента, будет иметь в 4-6 раз меньшие отрывные усилия, а также уменьшенную вертикальную и угловую качку по сравнению с буями традиционных форм.

Однако высокий водоизмещающий цилиндрический корпус особенно при его изготовлении из стали создает проблемы с остойчивостью, из-за чего приходится применять тяжелый твердый балласт и увеличивать водоизмещение буя.

Наиболее близким по сущности к предлагаемому изобретению является техническое решение по патенту РФ №2180544 (Плавучий предостерегающий знак повышенной волностойкости, бюл. №28 от 10.10.2002 г.) - прототип.

В соответствии с известным техническим решением, надводная водоизмещающая часть ППЗ делается высотой 1÷1,5 м, но не менее половины амплитуды расчетной волны, над этой надводной частью на мачтовых конструкциях поднимаются на необходимую высоту светооптический аппарат (СОА) и радиолокационные отражатели (РЛО), аккумуляторная батарея располагается в самой нижней части корпуса, при этом твердый балласт крепится к его низу и выполняется в виде плоского диска диаметром D_тб=(1,8-2,0)D_пк, где D_пк - средний диаметр погруженной части корпуса, выполненного из конусов или диаметр цилиндрического корпуса, а его масса определяется значением заданной метацентрической высоты h=(0,25-0,30) м, на расстоянии от ватерлинии 1,2-1,3 расчетной амплитуды волны ППЗ имеют пассивно-активный демпферы, при этом демпферы имеют скос под углом 20-30° к горизонту, который обеспечивает не одинаковую их эффективность при подъеме волны вверх и опускании ее вниз.

Данное техническое решение частично адаптирует рекомендации патента №2011599 к особенностям буев. Однако описание и формула патента-прототипа имеют следующие недостатки:

- Известное техническое решение жестко привязано к значению метацентрической высоты h=0,25-0,3 м. Однако требования к ней у буев разного типа и назначения могут быть разные. И, кроме того, величина h существенно влияет на угловую качку буя.

- Диаметр диска ТБ D_тб=(1,8-2,0)D_пк назначен излишне большим, что может быть невыгодным по конструктивным соображениям.

- Уменьшение высоты водонепроницаемой надводной части по сравнению с подводной скомпенсировано неодинаковостью эффективности ПАДов за счет скоса вниз их поверхности, однако понятие "скос" неточно отражает сущность предложения - фактически ПАД имеет коническую поверхность.

- Размеры демпферов формула патента-прототипа не оговаривает, предполагается, что они соответствуют рекомендациям патента 2011599 по полной структурной нейтрализации вертикальных волновых сил. Это приводит к большим размерам демпферов, что по конструктивным соображениям может быть неприемлемым, а по конкретным эксплуатационным требованиям - излишним.

- Невозможно независимо друг от друга удовлетворить требованиям плавучести и остойчивости буя при наперед заданной осадке и метацентрической высоте без учета массы и плавучести ПАДа, плавучесть которого может быть соизмерима с плавучестью основного корпуса. Требуется дополнительный алгоритм действий.

Цель изобретения - обеспечение БМБ заданной степени волностойкости и остойчивости, уменьшение ветровой нагрузки при одновременном уменьшении его объема и массы. Эти цели достигаются тем, что у полупогружного вертикально ориентированного корпуса ППЗ, включающего погруженную часть общей осадкой Т_пк не менее 1,35-1,5 расчетной амплитуды волны А_р и охватывающий корпус пассивно-активный демпфер, верхняя кромка которого удалена от невозмущенной поверхности на величину Т_д не менее (1,2-1,3) расчетной амплитуды волны, водонепроницаемую надводную часть высотой 1-1,5 м, но не менее половины А_р расчетной амплитуды волны с расположенной над ней с помощью мачтовой конструкции РЛО и СОА, аккумуляторную батарею, расположенную в самой нижней части ППЗ, и твердый балласт, выполненный в виде плоского диска, жестко соединенного с нижней частью корпуса, демпфер выполнен объемным, водоизмещением не менее 10-15% водоизмещения основного вертикально ориентированного корпуса, верхняя и нижняя поверхности демпфера выполнены коническими с наклоном верхней образующей к горизонту не менее 20-30°, а нижней - в 1,5-2 раза меньше, чем у верхней, наружные кромки верхней поверхности этого демпфера имеют округление радиусом 0,05-0,1 радиуса горизонтальной его проекции плавно переводящее коническую поверхность в вертикальную, идущую до нижней конической поверхности, СОА и РЛО подняты над свободной поверхностью воды на высоту не менее 3,5-5 м, твердый балласт выполняется в виде набортных плоских дисков диаметром D_тб=(1,2÷1,4)D_пк, где D_пк - средний диаметр погруженной части корпуса, выполненного из конусов, или диаметр цилиндрического корпуса, эти диски на шпильках крепятся к основному, коренному диску, жестко соединенного (например, на сварке или на болтах) с днищем корпуса БМБ, нижняя коническая поверхность объемного демпфера, корпус буя и коренной диск твердого балласта жестко (например, на сварке) соединены вертикальными бракетами, выполняющими роль подкрепляющих демпфер связей и вертикальных демпферов, уменьшающих угловые колебания буя на волне, при этом осредненный диаметр погруженной части основного корпуса D_пк, его общее заглубление Т_пк, размеры объемного демпфера, масса потребного твердого балласта и водоизмещение БМБ в целом определяются исходя из заданной полезной нагрузки (массы аккумуляторной батареи, СОА, РЛС и др.), расчетной балльности моря, глубины постановки, требований к метацентрической высоте и необходимой степени нейтрализации волновых возмущающих сил из последовательного решения следующей системы алгебраических уравнений

- Уравнения масс и плавучести БМБ

где ρ=1,01÷1,025 т/м³ - плотность морской воды;

V_пк - объем погруженной части основного корпуса, м³;

V_од - водоизмещающий объем демпфера, зависящий от его формы и размера, м³;

m_нг - масса независимых от размеров БМБ грузов, заданных или заранее принятых, например, масс светооптического аппарата и аккумуляторной батареи, т;

m_зг - масса зависимых от размеров и формы БМБ грузов, например, основного корпуса, демпфера, бракет, т;

m_тб- масса твердого балласта вместе с массой удерживающих БМБ связей, которые зависят от глубины места постановки, т;

ρ_тб - плотность материала твердого балласта и удерживающих связей, большая плотности воды, т/м³;

- редукционный коэффициент, учитывающий потерю веса твердого балласта и якорь-цепи в воде;

- Заданного диапазона допустимого изменения метацентрической высоты

где z_c - положение по высоте центра плавучести водоизмщающих объемов корпуса БМБ при осадке Т_пк, демпфера, бракет, м;

r - метацентрический радиус;

z_g - положение по высоте БМБ центра масс всех грузов: корпуса вместе с демпфером, твердым балластом, якорь-цепью и другими, которые уравновешены плавучестью буя при осадке Т_пк.

- Уравнение для выбора размеров объемного конического ПАДа

где 0<n≤0,5 - коэффициент нейтрализации волновых возмущающих сил, равный 0 при их полной нейтрализации и 0,5 - при частичной;

S_пк - средняя площадь горизонтального сечения погруженного корпуса при его выполнении из конусов или площадь горизонтального сечения цилиндра, м²;

Т_пк - расчетная осадка погруженного корпуса БМБ, назначенная в интервале (0,6÷1,2) расчетной амплитуды волны А_р, при этом меньшее значение Т_пк соответствует большему значению коэффициента нейтрализации n, м;

k_пк - коэффициент присоединенной массы погруженного корпуса при ускорениях частичек воды в волне, направленных вверх, принимаемый в пределах 0,3÷0,4;

S_од - площадь горизонтальной проекции конического объемного демпфера, м²;

k_од - коэффициент присоединенной массы объемного демпфера, отнесенный к ρV_од, принимаемый в пределах 0,6÷0,8;

Т_од - удаление от поверхности середины верхней конической поверхности объемного демпфера, назначаемое в интервале (0,6÷0,8)Т_пк;

Н_од - средняя высота объемного демпфера, назначаемая в интервале (0,2÷0,4)Т_пк, м;

λ_р - расчетная длина волны, м.

На фиг.1 показан БМБ, водонепроницаемая часть которого выполнена из усеченных конусов, соединенных большими основаниями, а на фиг.2 - такой же БМБ, на основе вертикального кругового цилиндра и объемного демпфера. Эти БМБ включают погруженную часть 1 в виде вертикального цилиндра или составных конусов осадкой Т_пк. Надводная водоизмещающая часть 2 может быть цилиндрической или конической формы. Над ней на мачтовых конструкциях 3 на заданную высоту поднимается СОА 4 и РЛО 5.

Объемные демпферы 6 подкреплены крестообразными вертикальными плоскими бракетами 7, простирающимися от нижней конической поверхности демпфера до коренного диска твердого балласта 8. Эти бракеты жестко соединены (например, на сварке) с демпфером, корпусом БМБ и коренным диском твердого балласта. Другие 2÷4 диска 9 крепятся к нему на шпильках. Это дает возможность обеспечить плавучесть буя по наперед заданную ватерлинию при изменении глубины места постановки и изменении в связи с этим веса якорь-цепи. Вниз от днища идет хвостовик 10, к которому крепится удерживающая ППЗ связь (не показана).

Волнение - процесс случайный, однако между средними высотами и длинами волн существуют статистические отношения для волн 3% обеспеченности и для волн 1% обеспеченности.

Используя эти соотношения и указанные выше рекомендации по выбору Т_пк и Т_од и назначая в зависимости от жесткости требований по умерению качки Т_пк=(0,6-1,2)А_p=(0,3-0,6)h_p и Т_од=(0,7-0,8)Т_пк, можно заранее вычислить для волн 3% или 1% обеспеченности и получить для принятых Т_пк и Т_од условия на выбор площади горизонтального сечения S_од и высоты Н_од объемного демпфера, нейтрализующие с коэффициентом n квазигидростатическую возмущающую силу

где k_од - коэффициент присоединенной массы объемного демпфера с коническими верхней и нижней поверхностями, зависящий от его формы и лежащий в пределах 0,6-0,8;

а и b - коэффициенты, соответствующие расчетной высоте волны 1% и 3% обеспеченности, указанные выше;

k_пк - коэффициент присоединенной массы погруженного основного корпуса, лежащий в пределах 0,3-0,4.

Назначив S_од≈(1,5-1,8)S_пк, можно из (4) найти Н_од, или по назначенному из конструктивных соображений Н_од≤(0,2-0,3)Т_пк найти S_од.

Предложенные технические решения по нахождению размеров и формы БМБ заданной волностойкости и остойчивости могут быть реализованы при их проектировании в следующей последовательности:

1. Задается район и глубина постановки, указывается расчетная балльность моря, и коэффициент 0≤n≤0,5 нейтрализации волновых нагрузок, при которой БМБ, АСБ должны нормально функционировать, указываются общие и особые требования. Это дает возможность назначить расчетную высоту волны h_p и ее длину λ_р, а также осадку погруженного корпуса Т_пк, высоту надводной части корпуса Н_нк.

2. Задается полезная нагрузка: масса СОА, РЛО, аккумуляторной батареи и определяется m_нг.

3. На основе анализа требований задания выбирается архитектурный тип (фиг.1, 2) материал корпуса и его толщина, назначается заглубление демпфера Т_од=(0,7-0,8)Т_пк.

4. Назначается доля водоизмещения объемного ПАДа от водоизмещения погруженной части основного корпуса V_од=р_од·V_пк, р_од≈0,15-0,4.

5. На основе требований к метацентрической высоте указываются пределы допустимых ее значений h₁<h_зад<h₂.

6. С использованием данных буев-прототипов находятся приближенные выражения для зависимых от размеров буя масс, например, корпуса, якорь-цепи, назначается доля твердого балласта. В результате получают выражение типа

где р'_кр, р'_нап, р'_яц, р'_тб - доли в первом приближении масс корпуса, наполнителя, якорь-цепи и твердого балласта от водоизмещения основного корпуса буя и ПАДа.

7. С учетом V_пк=S_пк·Т_пк составляется уравнение масс и плавучести для определения в первом приближении осредненной площади сечения погруженного корпуса S_пк

Из его решения при уже назначенной осадке Т_пк определяется в первом приближении S'_пк, D'_пк.

8. По уже определенному в первом приближении площади приведенного сечения основного корпуса S_пк и назначенному по заданной балльности Т_пк, а также определенным выше значением "а" и "в" составляется и решается уравнение волностойкости (4) и уточняется площадь горизонтального сечения S_од демпфера, его высота H_од и объем. Тем самым уточняется назначенная в первом приближении доля ПАДа .

9. После этого повторяется цикл по пп.5÷8 и проверяется совместимость уравнений масс и плавучести (1) и волностойкости (4), уточняется доля ПАДа и его размеры.

10. По данным этого согласованного приближения разрабатывается эскиз БМБ, назначаются толщины листов корпуса и ПАДа, производят расчет прочности и уточняются зависимые от размеров БМБ водоизмещение, массы корпуса, наполнителя, размеры и массы демпфера, бракет, коренного и наборного дисков твердого балласта для обеспечения плавания БМБ по волностойкую ватерлинию. По ним уточняется во II приближении для корпуса с демпфером и дисками твердого балласта доли p''_kp, p''_нап, р''_яц, р''_тб уточняется доля якорь-цепи р''_яц с учетом максимальной глубины постановки, а также доли коренного и наборных дисков твердого балласта.

11. Составляется уравнение (6) и (4) во II приближении и уточняются S''_пк, D''_пк.

12. Уточняется эскиз БМБ и все его элементы, рассчитывается во II приближении водоизмещение, положение центра масс, плавучести, значение метацентрического радиуса БМБ, вычисляется метацентрическая высота h и сравнивается с h_зад. Если она попадает в заданный интервал, идет дальнейшая разработка конструкций, уточняется нагрузка и определяется масса БМБ с дополнительными дисками твердого балласта и якорь-цепью в сборе m_БМБ. Если условие остойчивости не удовлетворяется, увеличивается или уменьшается масса дополнительных дисков твердого балласта, повторяется п.п.6÷11 и уточняются S''_пк и S''_од.

13. Определяется полное водоизмещение БМБ с учетом водоизмещения ПАДа, бракет, коренного диска твердого балласта, V по наперед заданную волностойкую ватерлинию и сравнивается с массой БМБ в сборе m_БМБ. Еще раз проверяется удовлетворение требований по остойчивости. Если разность ρV_БМБ-m_БМБ без ущерба для эксплуатации БМБ на разных глубинах и заданного интервала допустимого измерения метацентрической высоты может быть скомпенсирована сменными дисками, процесс можно считать законченным. Если это невозможно, составляется уравнение масс и плавучести и определяется соответствующее значение S''_пк и повторяется цикл по п.п.6÷11.

Предложенное техническое решение принципиально отличается от прототипа и аналога по следующим показателям:

- в нем не ставится задача полной нейтрализации волновых сил, а вводится коэффициент их нейтрализации 0<n≤0,5, что позволяет только уменьшить наибольшие расчетные отрывные усилия на якорь-цепь, но введение коэффициента нейтрализации, например, n=0,5, позволяет существенно уменьшить осадку буя с 1,35-1,5 расчетной амплитуды А_р до (0,6-0,8)А_р и общий вертикальный размер БМБ, а также диаметры дисков твердого балласта и демпфера; это расширяет диапазон применения данного технического решения для мелководных районов, но прочность удерживающих связей в данном случае должна быть больше;

- объемный конический ПАД имеет существенное преимущество перед листовым коническим, т.к. он при заданной нагрузке может взять на себя часть потребной плавучести БМБ и этим уменьшить площадь ватерлинии основного корпуса S_пк, следствием этого является:

- уменьшение основной квазистатической волновой составляющей и уменьшение общего водоизмещения (Для БМБ и АСБ это важное преимущество);

- верхняя коническая поверхность ПАДа имеет округление, уменьшающее срыв потока при колебаниях волновой поверхности.

- твердый балласт выполнен состоящим из коренного диска, жестко приваренного к нижней части корпуса, и нескольких сменных дисков, на шпильках, присоединяемых к коренному; этим обеспечивается установка БМБ на разных глубинах при разной длине якорь-цепи с обеспечением необходимой для его волностойкости осадки;

- вертикальные и горизонтальные размеры основного корпуса и объемного демпфера БМБ, водоизмещение и количество твердого балласта определяется методом последовательных приближений по задаваемой полезной нагрузке, глубине постановки, расчетной балльности моря, принятому коэффициенту нейтрализации волновых сил и диапазону значений метацентрической высоты h_min<h<h_max, которой в зависимости от требований к угловой качке будет отличаться от h=0,25-0,3 м у прототипа.

Патентный поиск не выявил подобных технических решений. Поэтому оно отвечает критерию новизны.

Предложенное техническое решение для БМБ и АБС большого водоизмещения отвечает также критерию существенного положительного эффекта. По сравнению с ближайшим прототипом, ППЗ с пластинчатым демпфером со скосом оно содержит объемный демпфер более совершенной формы, объем и размеры этого демпфера вместе с размерами корпуса согласованы с необходимой степенью компенсации волновых сил и, кроме того, предусмотрена возможность обеспечения остойчивости в заданных для конкретного буя пределах. Внутренние объемы предложенного ПАДа могут быть использованы для размещения полезных грузов, что при фиксации последних позволяет уменьшить диаметр основного корпуса, снизить волновые возмущающие силы, получить значительный выигрыш в водоизмещении и эффективности БМБ и АБС.

Большой морской буй заданной волностойкости и остойчивости, включающий вертикально ориентированный корпус, выполненный из цилиндра или усеченных конусов с общей осадкой Т_пк не менее 1,35-1,5 расчетной амплитуды волны А_р, пассивно-активный демпфер, верхняя кромка которого удалена от невозмущенной поверхности на величину Т_д не менее (1,2-1,3)А_р, и надводную водонепроницаемую часть высотой 1-1,5 м, но не менее половины А_р с расположенными над ней с помощью мачтовой конструкции светооптическим аппаратом, радиолокационными отражателями и ревуном, аккумуляторную батарею, расположенную в самой нижней части корпуса, и твердый балласт, выполненный в виде плоских наборных дисков, жестко соединенных с нижней частью корпуса, отличающийся тем, что демпфер выполнен объемным водоизмещением не менее 10-15% водоизмещения основного вертикально ориентированного корпуса, верхняя и нижняя поверхности демпфера выполнены коническими с наклоном верхней образующей к горизонту на менее 20-30°, а нижней в 1,5-2 раза меньшим, чем у верхней, наружные кромки верхней поверхности этого демпфера имеют скругление радиусом 0,05-0,1 радиуса горизонтальной его проекции, плавно переводящее коническую поверхность в вертикальную цилиндрическую, идущую до нижней конической поверхности, светооптический аппарат и радиолокационный отражатели подняты на мачте над свободной поверхностью на высоту не менее 3,5-5 м, твердый балласт выполнен в виде наборных плоских дисков диаметром D_тб=(1,2-1,4)D_пк, где D_пк - средний диаметр основного погруженного корпуса, выполненного из усеченных конусов, или диаметр цилиндрического корпуса, эти диски на шпильках крепятся к основному коренному диску, жестко соединенного (например, на сварке или болтах) с днищем корпуса большого морского буя, нижняя коническая поверхность объемного демпфера, основной корпус и коренной диск твердого балласта жестко (например, на сварке) соединены вертикальными плоскими бракетами, выполняющими роль подкрепляющих демпфер связей и вертикальных плоских демпферов, уменьшающих угловые колебания большого морского буя на волне, при этом осредненный диаметр погруженной части основного корпуса, его общее заглубление Т_пк, объем, высота и площадь горизонтальной проекции демпфера, масса потребного твердого балласта и водоизмещение большого морского буя в целом определяются, исходя из заданной полезной нагрузки, расчетной балльности моря, глубины постановки, требованиям к метацентрической высоте и необходимой степенью нейтрализации волновых возмущающих сил из последовательного решения следующей системы алгебраических уравнений:

- Уравнения масс и плавучести большого морского буя

где ρ=1,01-1,025 т/м³ - плотность морской воды;

V_пк - объем погруженной части основного корпуса, м³;

V_од - водоизмещающий объем демпфера, зависящий от его формы и размеров, м³;

m_нг - масса независимых от размеров большого морского буя грузов, заданных или заранее принятых, например, масс светооптического аппарата и аккумуляторной батареи, т;

m_зг - масса зависимых от размеров и формы большого морского буя грузов, например, основного корпуса, демпфера, бракет, т;

m_тб - масса твердого балласта вместе с массой удерживающих большой морской буй связей, которые зависят от глубины места постановки, т;

ρ_тб - плотность материала твердого балласта и удерживающих большой морской буй связей, большая плотности воды, т/м³;

- редукционный коэффициент, учитывающий потерю веса твердого балласта и якорь-цепи в воде;

- Заданного диапазона допустимого изменения метацентрической высоты

h_max>h_зад=z_c+r-z_g>h_min,

где z_c - положение по высоте центра плавучести водоизмещающих объемов корпуса БМБ при осадке Т_пк, демпфера, бракет, м;

r - метацентрический радиус;

z_g - положение по высоте большого морского буя центра масс всех грузов: корпуса вместе с демпфером, твердым балластом, якорь-цепью и другими, которые уравновешены плавучестью буя при осадке Т_пк,

Уравнение для выбора размеров объемного конического пассивно-активного демпфера

где 0<n≤0,5 - коэффициент нейтрализации волновых возмущающих сил, равный 0 при их полной нейтрализации и 0,5 при частичной;

S_пк - средняя площадь горизонтального сечения погруженного корпуса при его выполнении из конусов или площадь горизонтального сечения цилиндра, м²;

Т_пк - расчетная осадка погруженного корпуса большого морского буя, назначенная в интервале 0,6÷1,2 расчетной амплитуды волны А_р, при этом меньшее значение Т_пк соответствует большему значению коэффициента нейтрализации n, м;

k_пк - коэффициент присоединенной массы погруженного корпуса при ускорениях частичек воды в волне, направленных вверх, принимаемый в пределах 0,3÷0,4;

S_од - площадь горизонтальной проекции конического объемного демпфера, м²;

k_од - коэффициент присоединенной массы объемного демпфера, отнесенный к ρV_од, принимаемый в пределах 0,6÷0,8;

Т_од - удаление от поверхности середины верхней конической поверхности объемного демпфера, назначаемое в интервале (0,6÷0,8)Т_пк;

Н_од - средняя высота объемного демпфера, назначаемая в интервале (0,2÷0,4)Т_пк, м;

λ_p - расчетная длина волны, м.