Результат интеллектуальной деятельности: СУДНО

Изобретение относится к судостроению, в частности к конструкциям судов, имеющих по крайней мере две палубы, и может быть использовано, например, при построении авианосцев.

Известна конструкция авианосца и методы его эксплуатации (Патент США на изобретение №6279500, В63В 35/50, опубл. 28.08.2001 г.). Авианосец характеризуется наличием плоской палубы для проведения операций по взлету и посадке самолетов.

Данная конструкция обладает тем недостатком, что имеет место большая зависимость способности авианосца к выпуску и приему самолетов от величины волнения на море.

В качестве ближайшего аналога принят авианосец с двухуровневой полетной палубой (Патент США на изобретение №8020506, В63В 35/50, опубл. 20.09.2011 г.), имеющий верхнюю и нижнюю полетные палубы.

Данный авианосец обладает существенным недостатком, заключающимся в невозможности проведения посадочных операций при развитом волнении, так как вследствие качки его палуба совершает значительные колебания, достигающие величины нескольких метров, что существенно ограничивает эффективность применения данного авианосца.

Изобретение решает задачу сохранения горизонтального положения верхней палубы судна в условиях килевой качки, за счет крепления верхней палубы с возможностью изменения угла наклона продольной оси, автоматического отслеживания отклонений верхней палубы от горизонтали и их устранения.

Для получения необходимого технического результата в судне, содержащем, по крайней мере, две палубы, верхнюю и нижнюю, предлагается верхнюю палубу в средней части продольной оси шарнирно закрепить на нижней палубе с возможностью поворота вокруг точки крепления в вертикальной плоскости и снабдить дополнительными опорами, в качестве которых использовать поршни гидроцилиндров, количество и схему расстановки которых предлагается выбрать, исходя из условий ограничения максимальных напряжений от изгиба верхней палубы. Каждый гидроцилиндр предлагается снабдить клапаном подачи рабочей среды, связанным через напорный трубопровод с аккумулятором давления, и клапаном сброса рабочей среды, связанным через обратный трубопровод с емкостью для рабочей среды, которую посредством насоса связать с аккумулятором давления. Судно предлагается снабдить блоком управления, который связать с клапанами подачи и сброса рабочей среды, а на верхней палубе установить связанный с блоком управления датчик, регистрирующий отклонение верхней палубы от горизонтали.

На прилагаемых к описанию чертежах изображено:

на фиг. 1 - общий вид предлагаемого судна, например, авианосца;

на фиг. 2 - вид сверху на верхнюю полетную палубу;

на фиг. 3 - расчетная схема верхней полетной палубы.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - палуба верхняя полетная;

2 - палуба нижняя;

3 - шарнир;

4 - гидроцилиндр;

5 - насос;

6 - датчик угла наклона верхней полетной палубы;

7 - аккумулятор давления;

8 - блок управления;

9 - емкость для рабочей среды;

10 - клапан сброса рабочей среды;

11 - клапан подачи рабочей среды;

12 - трубопровод напорный;

13 - трубопровод обратный;

14 - трасса кабельная;

15 - расходомер рабочей среды;

16 - набор палубы продольный;

17 - набор палубы рамный продольный;

18 - набор палубы рамный поперечный;

- длины пролетов верхней полетной палубы;

q₁, q₁₂, q₂₃, q₃₄, q₄₅, q₅₆, q₆₇, q₇ - интенсивность весовой нагрузки, действующей в пролетах верхней полетной палубы;

М₁, М₂, М₃, М₄, М₅, М₆, М₇ - опорные моменты в сечениях верхней полетной палубы;

I, II, III, IV, V, VI, VII - номера опор верхней полетной палубы.

Конструкция авианосца состоит из верхней полетной палубы 1, закрепленной на нижней палубе 2 при помощи шарнира 3 с возможностью регулирования ее продольного наклона с использованием гидроцилиндров 4, на которых установлены клапаны 11 подачи рабочей среды и клапаны 10 сброса рабочей среды, управляемые блоком 8 управления, обрабатывающим сигналы датчика 6 угла наклона верхней полетной палубы и расходомеров 15 рабочей среды. Для создания давления используется насос 5, забирающий рабочую среду из емкости 9 для рабочей среды и нагнетающий ее в аккумулятор 7 давления. По напорным трубопроводам 12 рабочая среда подается к гидроцилиндрам 4, а по обратным трубопроводам 13 возвращается в емкость 9 для рабочей среды. Электрические соединения блока насоса 5, датчика 6 угла наклона верхней полетной палубы, клапанов 11 подачи рабочей среды, клапанов 10 сброса рабочей среды, расходомеров 15 рабочей среды с блоком 8 управления осуществляются посредством кабельных трасс 14. Для обеспечения жесткости верхняя полетная палуба 1 подкреплена продольным набором 16 палубы, рамным продольным набором 17 палубы, а также рамным поперечным набором 18 палубы.

Описание работы судна

Предлагаемое судно, например авианосец, работает следующим образом. В случае благоприятных погодных условий, когда качка авианосца незначительна и не препятствует взлету и посадке самолетов, а также, если проведение взлетно-посадочных операций не требуется, верхняя полетная палуба 1 находится в зафиксированном положении относительно нижней палубы 2 за счет того, что клапаны 11 подачи рабочей среды и клапаны 10 сброса рабочей среды на гидроцилиндрах 4 закрыты. При этом гидроцилиндры 4, установленные в местах пересечения рамного продольного набора 17 палубы и рамного поперечного набора 18 палубы, выполняют роль жестких опор для верхней полетной палубы 1. При увеличении параметров морского волнения и росте качки авианосца сверх значений, при которых возможно безопасное выполнение взлетно-посадочных операций, начинается регулирование положения верхней полетной палубы 1. Блок 8 управления включает насос 5, который забирает рабочую среду в емкости 9 для рабочей среды и создает давление в аккумуляторе 7 давления, соединенном напорными трубопроводами 12 с гидроцилиндрами 4 через установленные на них клапаны 11 подачи рабочей среды, открытие и закрытие которых осуществляется по командам блока 8 управления. При открытии клапана 11 подачи рабочей среды соответствующего гидроцилиндра 4 рабочая среда подается в него из аккумулятора 7 давления посредством напорного трубопровода 12, и гидроцилиндр 4 начинает перемещать соответствующую точку верхней полетной палубы 1 в направлении от нижней палубы 2. Для того чтобы был обеспечен беспрепятственный поворот верхней полетной палубы 1 относительно шарнира 3, рабочая среда должна подаваться во все гидроцилиндры 4, расположенные по одну сторону от шарнира 3. При этом в гидроцилиндрах 4, расположенных по другую сторону от шарнира 3, клапаны 11 подачи рабочей среды должны быть закрыты, а клапаны 10 сброса рабочей среды - открыты. По обратным трубопроводам 13, соединяющим клапаны 10 сброса рабочей среды, установленные на гидроцилиндрах 4, рабочая среда будет подаваться в емкость 9 для рабочей среды, откуда при помощи насоса 5 будет перекачиваться в аккумулятор 7 давления. Следует учитывать, что при повороте верхней полетной палубы 1 на некоторый угол ход поршня гидроцилиндров 4, наиболее удаленных от шарнира 3, будет максимален, из-за этого количество подаваемой к ним и удаляемой от них рабочей среды также будет больше, чем для гидроцилиндров 4, расположенных в районе шарнира 3 (при одинаковом диаметре всех гидроцилиндров 4). Поэтому пропускная способность напорных трубопроводов 12 и обратных трубопроводов 13 для наиболее удаленных от мидель-шпангоута авианосца гидроцилиндров 4 должна быть максимальной. Для обеспечения требуемой величины подачи рабочей среды к гидроцилиндрам 4 и ее удаления в емкость 9 для рабочей среды величина открытия клапанов 11 подачи рабочей среды и клапанов 10 сброса рабочей среды должна регулироваться блоком 8 управления на основании обработки сигналов от датчика 6 угла наклона верхней полетной палубы и расходомеров 15 рабочей среды, установленных на напорных трубопроводах 12 и обратных трубопроводах 13. Также может быть использована схема регулирования величины подачи рабочей среды, при которой по команде блока 8 управления чередуются кратковременные периоды открытия и закрытия клапана подачи рабочей среды 11, а величина подачи определяется отношением продолжительности этих периодов. Аналогичная схема может быть применена и для управления клапаном 10 сброса рабочей среды.

Вместо двух клапанов на каждом гидроцилиндре 4 также может быть использован блок клапанов, соединенный трубопроводами с аккумулятором 7 давления, емкостью 9 для рабочей среды, а также напорными трубопроводами 12 и обратными трубопроводами 13 с каждым из гидроцилиндров 4. Блок клапанов регулирует подачу рабочей среды к гидроцилиндрам 4 по командам блока 8 управления, обрабатывающего сигналы от датчика 6 угла наклона верхней полетной палубы и расходомеров 15 рабочей среды, и содержит по два клапана на каждый гидроцилиндр: клапан 11 подачи рабочей среды, к которому присоединяется напорный трубопровод 12 к соответствующему гидроцилиндру 4, и клапан 10 сброса рабочей среды, к которому присоединяется обратный трубопровод 13 от гидроцилиндра 4.

Определить необходимое количество гидроцилиндров можно из условия обеспечения допускаемой погиби верхней полетной палубы 1 между ее опорами, роль которых выполняют шарнир 3 и гидроцилиндры 4. Также при выборе схемы расстановки гидроцилиндров можно воспользоваться условием ограничения максимальных напряжений от изгиба в верхней полетной палубе 1. Вид сверху на верхнюю полетную палубу 1 представлен на фиг. 2, где показана схема расстановки гидроцилиндров 4. Соответствующая расчетная схема верхней полетной палубы представлена на фиг. 3. Расчет верхней полетной палубы 1 целесообразно осуществлять с использованием метода трех моментов, при этом в качестве нагрузки должен рассматриваться собственный вес конструкции. При необходимости в число нагрузок может быть добавлен вес самолетов, осуществляющих взлетно-посадочные операции и т.д. Система уравнений для раскрытия статической неопределимости конструкции будет иметь вид

где Е - модуль Юнга;

- момент инерции балки в пролете между опорами i и j;

- изгибающий момент на первой опоре;

- изгибающий момент на последней опоре.

Решая представленную выше систему уравнений, можно определить все оставшиеся опорные моменты М₂, М₃, М₄, М₅, М₆. Пусть длина верхней полетной палубы 1 составляет 300 м, ее масса М=1600 т, , , число пролетов палубы (за исключением носовой и кормовой консоли) N=6, причем их длины равны, т.е.

Также будем считать, что момент инерции I и момент сопротивления W верхней полетной палубы 1 постоянны по ее длине и составляют I=0,3 м⁴, W=0,6 м³, а ее весовая нагрузка распределена по длине равномерно и составляет q=М⋅g/L≈52300 Н/м. В этом случае, определив опорные моменты, найдем максимальные прогибы верхней полетной палубы 1 между ее опорами, которые составляют около 28 мм. При этом максимальные изгибные напряжения в конструкции верхней полетной палубы 1 составят 21 МПа. Изменяя жесткость верхней полетной палубы и длину ее пролетов, можно добиться требуемой величины напряжений и прогибов.

Располагая опорными моментами, можно найти опорные реакции для каждой из однопролетных балок, а также суммарную реакцию, действующую на каждую из опор, что позволяет определить усилие, которое должны развивать гидроцилиндры 4 для обеспечения работы конструкции. В приведенном примере наибольшая реакция возникает на второй опоре и имеет величину R₂=2852 кН, таким образом, суммарное усилие, развиваемое гидроцилиндрами в количестве n, установленными в данном сечении корпуса, должно удовлетворять данной величине и иметь некоторый коэффициент запаса K_з, а требуемое усилие, развиваемое отдельным гидроцилиндром, можно определить из выражения

В приведенном примере при двух гидроцилиндрах в поперечном сечении корпуса и коэффициенте запаса K_з=1,5 требуемое усилие, развиваемое гидроцилиндром, составит F=2139 кН.

Для определения требуемой величины подачи и сброса рабочей среды блок 8 управления отслеживает отклонение верхней полетной палубы 1 от горизонтального положения по сигналам от датчика 6 угла наклона верхней полетной палубы. Датчик 6 угла наклона верхней полетной палубы установлен на верхней полетной палубе 1 и может представлять собой, например, гироскопический датчик угла наклона. При увеличении угла отклонения верхней полетной палубы 1 от горизонтального положения блок 8 управления отдает команду на открытие клапанов 11 подачи рабочей среды на гидроцилиндрах 4, расположенных по ту сторону от шарнира 3, которая опустилась вниз, а также команду на открытие клапанов 10 сброса рабочей среды на гидроцилиндрах 4, расположенных по другую сторону от шарнира 3. Следует учитывать, что для обеспечения плоскостности верхней полетной палубы 1 количество подаваемой в гидроцилиндры 4 рабочей среды должно находиться в зависимости от удаления гидроцилиндров 4 от шарнира 3: чем дальше от шарнира 3 находится гидроцилиндр, тем больше рабочей среды должно подаваться в него. Так, если для представленной на фиг. 2 конструкции объем рабочей среды, подаваемой в гидроцилиндры 4, находящиеся на расстоянии от шарнира 3 (ближайшие к шарниру 3 с правой стороны), равен Q₅, то объем рабочей среды Q₇, подаваемой в гидроцилиндры 4, находящиеся на расстоянии от шарнира 3 (наиболее удаленные от шарнира 3 с правой стороны), должен определяться из пропорции

т.е.

Представленные выражения могут быть использованы для гидроцилиндров с одинаковой площадью поршня, т.е. если перемещения их поршней одинаковы при равном количестве подаваемой рабочей среды. В противном случае выражения должны быть откорректированы с учетом соотношений площадей поршней гидроцилиндров. Аналогичным образом определяются соотношения между объемами рабочей среды, подаваемой к установленным в других сечениях корпуса гидроцилиндрам 4, или удаляемой из них. Блок 8 управления осуществляет контроль объема подаваемой и удаляемой рабочей среды по сигналам от расходомеров 15 рабочей среды и регулирует указанный объем за счет клапанов 11 подачи рабочей среды и клапанов 10 сброса рабочей среды.

Под действием гидроцилиндров 4 осуществляется изменение угла наклона верхней полетной палубы 1 по отношению к нижней палубе 2, на которой она закреплена при помощи шарнира 3. В результате этого верхняя полетная палуба 1 находится в неизменном горизонтальном положении, что делает возможным выполнение взлетно-посадочных операций при неблагоприятных погодных условиях.

Таким образом, предлагаемая конструкция судна позволяет повысить эффективность его использования за счет смягчения ограничений по режимам морского волнения, при которых на авианосцах возможны взлет и посадка самолетов палубной авиации, а также на судах другого назначения можно проводить работы на палубе, невзирая на качку.