Плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости

Плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к средствам навигационного обеспечения фарватеров, портов, гаваней, а также ограждения мест, опасных или закрытых для мореплавания - навигационным буям и вехам. Оно может быть также применено для буев, осуществляющих экологический мониторинг водной среды, а также другие специальные функции при наличии морского волнения.

Известно техническое решение по патенту РФ № 2011599 (Разумеенко Ю.В., Пыльнев Ю.В. Полупогруженное 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_p=0,5h_p буй должен иметь плоский или объемный пассивно-активный демпфер (ПАД), размеры которого определяются расчетной длиной волны λ_p. Буй, выполненный по рекомендациям этого патента, будет иметь в 4-6 раз меньшие отрывные усилия, а также уменьшенные вертикальную и угловую качки.

Однако опыт использования рекомендаций патента №2011599 для плавучего предостерегательного знака (ППЗ) выявил один существенный недостаток: высоко поднятый на высоту 1,35-1,5 амплитуды волны водоизмещающий цилиндр со сплошными стенками повышает центр масс буя и создает проблемы с остойчивостью, особенно при изготовлении корпуса из стали. Из-за этого приходится применять тяжелый твердый балласт и увеличивать водоизмещение ППЗ для обеспечения его плавучести по наперед заданную ватерлинию. Эти недостатки были принципиально устранены в техническом решении по патенту РФ №2190554 (Плавучий предостерегательный знак повышенной волностойкости, бюл. №28 от 10.10.2002 г.) - прототип.

Это техническое решение опирается на рекомендации патента №2011599 по осадке погруженного корпуса и заглублению демпферов, а для понижения центра масс ППЗ и обеспечения значения его метацентрической высоты h в пределах 0,25-0,3 м надводная водоизмещающая часть делается высотой 1-1,5 м, но не менее половины амплитуды расчетной волны, над этой надводной частью на мачтовых конструкциях поднимаются светооптический аппарат (СОА) и радиолокационные отражатели (РЛО), а аккумуляторная батарея располагается в самой нижней части ППЗ, при этом твердый балласт крепится к низу ППЗ 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 метацентрической высоты, при этом демпферы имеют скос под углом 20-30° к горизонту, который обеспечивает неодинаковую эффективность ПАДов 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.

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

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

3) 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 речь идет о конической поверхности.

4) 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.

5) Невозможно независимо друг от друга удовлетворить требованиям плавучести и остойчивости буя при наперед заданной осадке и метацентрической высоте без учета массы и плавучести ПАДа (особенно объемного). Требуется дополнительный алгоритм действий.

Цель изобретения - обеспечение ППЗ заданной степени волностойкости и остойчивости, уменьшение ветровой нагрузки на него при одновременном уменьшении его массы и объема.

Эти цели достигаются тем, у плавучего предостерегательного знака, включающего вертикально ориентированный плавучий корпус, выполненный из цилиндров или конусов, соединенных большими основаниями, надводная водоизмещающая часть которого выполнена высотой 1-1,5 м с расположенными над ней с помощью мачтовых конструкций радиолокационным отражателем и светооптическим аппаратом, а нижняя заглублена на величину, связанную с амплитудой расчетной волны, в нижней погруженной части корпуса располагаются аккумуляторная батарея и твердый балласт в виде плоского диска, приваренного к днищу плавучего корпуса, при этом диаметр диска больше среднего диаметра погруженной части корпуса, который также снабжен в нижней своей части демпфером, между демпфером и плоским диском твердого балласта установлены вертикальные бракеты, жестко присоединенные к корпусу плавучего знака, демпферу и диску твердого балласта, устанавливается демпфер, выполненный из тонкого листа, изогнутого по конической поверхности с наклоном образующей к горизонту не менее 20-30°, наружные кромки демпфера имеют скругление радиусом 0,05-0,1 радиуса горизонтальной проекции этого демпфера, плавно переводящие коническую поверхность в вертикальную цилиндрическую и обрывающуюся на этом, светооптический аппарат и радиолокационные отражатели подняты над свободной поверхностью воды на высоту на менее 2,0÷3,0 м, твердый балласт выполнен с набором плоских дисков диаметром D_тб=(1,4÷1,6)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 соединенному, например, сваркой или болтами с днищем корпуса, при этом осредненный диаметр погруженной части корпуса D_пк, ее осадка Т_пк, размеры демпфера и его заглубление, масса потребного твердого балласта и водоизмещение плавучего знака в целом определяются исходя из заданной полезной нагрузки, расчетной балльности моря, глубины постановки, требований к метацентрической высоте и необходимой степени нейтрализации волновых возмущающих сил из последовательного решения следующей системы алгебраических уравнений:

1) уравнения масс и плавучести предостерегательного знака

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

V_пк - объем погруженной части корпуса, м³;

m_нг - масса независимых от размеров плавучего предостерегательного знака грузов, заданных или заранее принятых, например масс светооптического аппарата и аккумуляторной батареи, и других, расположенных внутри корпуса, т;

m_зг - масса независимых от размеров и формы плавучего предостерегательного знака грузов, например корпуса, мачты, наполнителя, т;

m_д - масса листового конического демпфера и бракет, зависящая от их толщины и площади, т;

ρ_д - плотность материала демпфера и бракет, т/м³,

- редукционный коэффициент, учитывающий потерю веса демпфера и бракет в воде;

m_тб - масса твердого балласта вместе с массой удерживающих плавучий предостерегательный знак связей, например якоря-цепи, зависящих 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 удерживающих связей в воде;

m_тб - масса твердого балласта вместе с массой удерживающих ППЗ связей (например якорь-цепи), которые зависят от водоизмещения ППЗ и глубины места постановки, т (в состав твердого балласта включается также запас водоизмещения m_зв=p_звρV_пк, который может быть использован для согласования нагрузки с водоизмещением ППЗ при заданной осадке Т_пк);

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

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

2) заданного диапазона допустимого изменения метацентрической высоты

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

r - метацентрический радиус;

z_g - положение по высоте ППЗ центра масс всех грузов: корпуса вместе с СОА, РЛО, мачтой, демпфером, бракетами, твердым балластом, якорем-цепью и другими, которые уравновешены плавучестью буя при осадке Т_пк, м;

3) уравнения для выбора площади горизонтальной проекции листового конического демпфера, полученного авторами из условий волностойкости ППЗ

где 0,5≥n≥0 - коэффициент структурной нейтрализации волновых сил, равный нулю при полной их нейтрализации, и n≤0,5 - при частичной; его значение должно назначаться при формировании технического задания на проектирование ППЗ;

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

Т_пк - расчетная осадка погруженного корпуса ППЗ, назначенная в интервале (0,6-1,2) расчетной амплитуды волны А_р, при этом меньшее значение Т_пк соответствует большему значению 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_лд - площадь горизонтальной проекции конического листового демпфера, м²;

k_лд - коэффициент присоединенной массы листового конического демпфера, отнесенный к , принимаемый в пределах 0,6-0,8;

Т_лд - удаление от поверхности середины листового конического демпфера, назначаемое в интервале (0,7-0,8)Т_пк;

λ_p - расчетная длина волны, м.

На фиг.1 показан ППЗ на основе вертикального кругового цилиндра и листового демпфера, а на фиг.2 - такой же ППЗ, водонепроницаемая часть которого выполнена из усеченных конусов, соединенных большими основаниями.

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

Предлагаемые ППЗ с листовыми ПАДами могут быть рекомендованы для малых морских навигационных волностойких буев и вех, а также буев специального назначения со сравнительно небольшой полезной нагрузкой.

Волнение - процесс случайный, однако между средними высотами и длинами волн существуют статистические соотношения h_cp/λ_ср≈0,06 для волн 3% обеспеченности и h_cp/λ_cp≈0,1 для волн 1% обеспеченности.

Используя эти соотношения и предложенные выше рекомендации по выбору Т_пк и Т_лд в зависимости от жесткости требований по умерению качки и назначая Т_пк=(0,6-1,2)A_p=(0,3-0,6)h_p и Т_лд=(0,7÷0,8)Т_пк, можно заранее вычислить для волн 3% или 1% обеспеченности и получить для принятых Т_пк и Т_лд условия на выбор площади листового демпфера

где h_p - расчетная высота волны;

n - коэффициент назначенной структурной нейтрализации;

а и b - коэффициенты, вычисленные для расчетной высоты волны и длины волны принятой обеспеченности и назначенных Т_пк и Т_лд как части расчетной амплитуды волны;

k_лд - коэффициент присоединенной массы листового конического демпфера при ускорениях в волне, действующих вверх (на подошве волны), лежащий в пределах 0,6-0,8;

k_пк - коэффициент присоединенной массы погруженного корпуса, зависящий от формы и заглубления корпуса, отношения D_пк/Т_пк, частоты волны и лежащий в пределах 0,3-0,4.

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

1. Задаются район и глубина постановки, указываются расчетная балльность моря и коэффициент 0≤n≤0,5 нейтрализации волновых нагрузок, при которой буй, веха должны нормально функционировать, указываются общие и особые требования. Это дает возможность назначить расчетную высоту волны h_p и ее длину λ_p, 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 выбираются архитектурный тип (фиг.1, 2), материал корпуса и его толщина, назначается заглубление демпфера Т_нг=(0,7-0,8)Т_пк.

4. Используются требования к метацентрической высоте, задаются пределы допустимых ее значений h₁<h_зад<h₂.

5. Используя данные буев-прототипов, находятся выражения для зависимых от размеров буя масс, например, корпуса, его наполнителя, якоря-цепи, назначаются доли твердого балласта, демпфера и бракет. Для буев типа фиг.1 и 2 на основе прототипов получают выражения типа

где , , , - доли от водоизмещения буя в первом приближении масс корпуса с наполнителем, демпфера с бракетами, якоря-цепи и твердого балласта.

6. С учетом V_пк=S_пк·Т_пк составляется уравнение для определения в первом приближении осредненной площади сечения погруженного корпуса (масса якоря-цепи при заданной глубине постановки ППЗ и ожидаемому водоизмещению может быть вычислена заранее по принятому калибру цепи и отнесена к независимым. В этом случае из левой части (7) убирается , а в правую добавляется m_яц).

Из его решения при уже назначенной осадке Т_пк определяется в первом приближении .

7. По формуле (5) определяется в I приближении площадь листового конического демпфера , а по и - наружный диаметр демпфера . После этого уточняется водоизмещение.

8. По данным I приближения разрабатывается эскиз ППЗ, назначаются толщины листов корпуса, демпфера, бракет и уточняются зависимые от размеров ППЗ, массы корпуса, наполнителя, размеры и массы демпфера, бракет, коренного и наборных дисков твердого балласта, якоря и якоря-цепи. По наружным размерам корпуса рассчитывается водоизмещение ППЗ и проверяется выполнение уравнения (1) для обеспечения его плавания по заданную волностойкую ватерлинию. Если первоначальные решения по выбору р_i были удачными, и с помощью m_зв удается удовлетворить уравнениям (1) и (3), процесс разработки ППЗ может быть продолжен. Если расхождение между pV' и значительное, необходимо уточнить во II приближении значения доли от ρV_пк масс корпуса, наполнителя, демпфера, бракет и дисков твердого балласта , , , якоря-цепи с учетом максимальной глубины постановки (масса якоря-цепи при заданной глубине постановки ППЗ и ожидаемому после первой итерации водоизмещению может быть вычислена заранее по принятому калибру цепи и отнесена к независимым. В этом случае из левой части (7) убирается , а в правую добавляется m_яц), а также доли коренного и наборных дисков твердого балласта.

9. Составляется развернутое уравнение (7) во II приближении и находятся , , .

10. Уточняются эскиз ППЗ и все его элементы, определяются во II приближении водоизмещение, положение центров масс и плавучести, значение метацентрического радиуса ППЗ, вычисляется метацентрическая высота h и сравнивается с h_зад. Если она попадает в заданный интервал, идет дальнейшая разработка конструкций, уточняется нагрузка и определяется масса ППЗ в сборе m_ППЗ с дополнительными дисками твердого балласта и якорем-цепью. Если условие остойчивости не удовлетворяется, увеличивается или уменьшается масса дополнительных дисков твердого балласта, повторяется п.п.8-10 и уточняются , .

11. Определяется полное водоизмещение ППЗ с учетом плавучести конструкций демпфера и бракет, коренного и наборных дисков твердого балласта по наперед заданную волностойкую ватерлинию и сравнивается с массой ППЗ в сборе m_ППЗ. Еще раз проверяется удовлетворение требований по остойчивости. Если разность ρV_ППЗ-m_ППЗ без ущерба для эксплуатации ППЗ на разных глубинах и заданного интервала допустимого изменения метацентрической высоты может быть скомпенсирована запасом водоизмещения или сменными дисками, процесс можно считать законченным. Если это невозможно, составляется уравнение масс и плавучести и определяется соответствующее значение и повторяется цикл по п.п.8-11.

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;

- введение коэффициента нейтрализации, например n=0,5, позволяет существенно уменьшить осадку ППЗ с 1,35-1,5 расчетной амплитуды А_p до (0,6÷0,8)А_p и общий вертикальный размер ППЗ, а также диаметры дисков твердого балласта и демпферов; это расширяет диапазон применения данного технического решения для мелководных районов и для буев специального назначения, но прочность удерживающих связей в данном случае должна быть больше;

- 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 ППЗ на разных глубинах при разной длине якоря-цепи с обеспечением необходимой для волностойкости ППЗ его осадки;

- листовой демпфер выполнен конической формы, причем ее наружная кромка имеет скругление, плавно переводящее коническую поверхность в вертикальную цилиндрическую; это улучшает обтекание демпфера волной, уменьшает срыв волнового потока на нем;

- водоизмещение, вертикальные размеры и диаметры корпуса ППЗ, диаметры демпферов и количество твердого балласта определяются методом последовательных приближений по задаваемой полезной нагрузке, расчетной балльности моря, принятому коэффициенту нейтрализации волновых сил и диапазону допустимого изменения метацентрической высоты h_min<h<h_max, значение которой может в зависимости от требований к угловой качке отличаться от h=0,25-0,3 м у прототипа.

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

Предложенное техническое решение отвечает также критерию существенного положительного эффекта. По сравнению с ближайшим прототипом оно содержит демпфер более совершенной формы, размеры этого демпфера согласованы с необходимой степенью компенсации волновых сил и, кроме того, предусмотрена возможность обеспечения остойчивости в заданных для конкретного буя пределах. Это обеспечивает существенное уменьшение вертикального размера ППЗ и его водоизмещения при заданной степени компенсации волновых сил и заданного значения метацентрической высоты при одновременном выполнении требований по высоте подъема над поверхностью воды СОА и РЛО.

Плавучий предостерегательный знак заданной волностойкости и остойчивости, включающий вертикально ориентированный плавучий корпус из цилиндров или усеченных конусов, соединенных большими диаметрами, надводная водоизмещающая часть которого выполнена высотой 1-1,5 м с расположенными над ней с помощью мачтовых конструкций радиолокационным отражателем и светооптическим аппаратом, а нижняя - заглублена на величину, связанную с амплитудой расчетной волны, в нижней погруженной части корпуса располагается аккумуляторная батарея и твердый балласт в виде плоского диска, приваренного к днищу плавучего корпуса, при этом диаметр диска больше среднего диаметра погруженной части корпуса, который также снабжен в нижней своей части демпфером, между демпфером и плоским диском твердого балласта установлены вертикальные бракеты, жестко присоединенные к корпусу плавучего знака, демпферу и диску твердого балласта, отличающийся тем, что демпфер выполнен из тонкого листа, изогнутого по конической поверхности с наклоном образующей к горизонту не менее 20-30°, наружные кромки демпфера имеют округление радиусом 0,05-0,1 радиуса горизонтальной проекции этого демпфера, плавно переводящее коническую поверхность в вертикальную цилиндрическую и обрывающуюся на этом, светооптический аппарат и радиолокационные отражатели подняты над свободной поверхностью воды на высоту не менее 2,0-3,0 м, твердый балласт выполнен с набором плоских дисков диаметром D_тб=(1,4÷1,6)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 соединенному, например, сваркой или болтами, с днищем корпуса, при этом осредненный диаметр погруженной части корпуса D_пк, ее осадка Т_пк, размеры демпфера и его заглубление, масса потребного твердого балласта и водоизмещение плавучего знака в целом определяются исходя из заданной полезной нагрузки, 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 плавучего предостерегательного знака

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

V_пк - объем погруженной части основного корпуса, м³;

m_нг - масса независимых от размеров плавучего предостерегательного знака грузов, заданных или заранее принятых, например, масс светооптического аппарата и аккумуляторной батареи, и других, расположенных внутри корпуса, т;

m_зг - масса зависимых от размеров и формы плавучего предостерегательного знака грузов, например, корпуса, мачты, наполнителя, т;

m_д - масса листового конического демпфера и бракет, зависящая от их толщины и площади, т;

ρ_д - плотность материала демпфера и бракет, т/м³;

- редукционный коэффициент, учитывающий потерю веса демпфера и бракет в воде;

m_тб - масса твердого балласта вместе с массой удерживающих плавучий предостерегательный знак связей, например якорь-цепи, зависящих 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, определяемого требованиями остойчивости и ограничения угловой качки

h_max>h_зад=z_c+r-z_g>h_min,

где z_c - положение по высоте центра плавучести водоизмещающих объемов предостерегательного знака при расчетной осадке погруженной части его корпуса Т_пк, м;

r - метацентрический радиус, м;

z_g - положение по высоте знака центра масс всех грузов: корпуса вместе с демпферами, твердым балластом, якорь-цепью и другими, которые уравновешены плавучестью плавучего предостерегательного знака при расчетной осадке погруженной части его корпуса Т_пк, м;

уравнения для выбора площади горизонтальной проекции демпфера

где 0,5≥n≥0 - коэффициент структурной нейтрализации волновых сил, назначаемый при формировании технического задания на проектирование плавучего предостерегательного знака в зависимости от предъявляемых к нему требований;

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

Т_пк - расчетная осадка погруженной части корпуса плавучего предостерегательного знака, назначенная в интервале (0,6-1,2) расчетной амплитуды волны A_р, м;

k_пк - коэффициент присоединенной массы погруженной части корпуса при ускорениях частичек воды в волне, направленных вверх, лежащий в пределах 0,3-0,4;

S_лд - площадь горизонтальной проекции листового конического демпфера, м;

k_лд - коэффициент присоединенной массы листового конического демпфера, отнесенный к и лежащий в пределах 0,6-0,8;

Т_лд - удаление от поверхности середины листового конического демпфера, назначаемое в интервале (0,7-0,8)Т_пк;

λ_p - расчетная длина волны, м.