Результат интеллектуальной деятельности: КОРПУС СУДНА

Изобретение относится к области судостроения, в частности к проектированию корпусов судов.

Известна конструкция передней части судна вытеснительного типа (RU 2374120, МПК В63В 1/06, опубл. 27.11.2009 г.) с поперечной симметрией относительно центральной оси, причем образующие линии корпуса увеличиваются по ширине от базовой линии. Низ является плоским или имеет килеватость и переходит в днище с заданным радиусом днища. От днища и до заданной высоты образующие линии немного наклонены наружу. На уровне палубы бака форма наклонной наружу линии прекращается и проходит вверх в виде изогнутой линии обратно в направлении центральной оси.

Данная конструкция обладает следующими недостатками:

- судно имеет большую парусность;

- рулевая рубка удалена от машинного отделения, что затрудняет прокладку кабельных трасс;

- плохие условия обитаемости;

- удары волн могут выбить иллюминаторы в рубке и привести к повреждению навигационного оборудования;

- при большой высоте волн они могут перехлестнуться через надстройку, при этом плоские поверхности палубы будут способствовать захвату носа судна волной [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - С. 21-30];

- плохая всхожесть на волну, т.к. из-за стройности ватерлинии судно врезается в волну, и она скручивается над носом и в сторону, в результате чего нос судна может быть захвачен волной, что приведет к гибели судна.

Известен корпус судна, представляющий собой непроницаемую оболочку, состоящую из тонких листов, которые подкреплены балками, выполненными из прокатных или составных сварных профилей (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л.: Судостроение, 1981. - 552 с., с. 9-11, рисунок 1).

Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в возможности захвата носовой оконечности волной, что обусловлено наличием плоских поверхностей палубы и надстройки бака, вследствие чего может произойти падение метацентрической высоты и опрокидывание судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - С. 21-30]. Захват носовой оконечности волной означает, что при сильном заливании палубы она работает в подводном положении как крыло, обтекаемое потоком жидкости, в результате чего на плоских поверхностях возникает равнодействующая сил давления, определяющаяся углом атаки и скоростью набегающей жидкости. Это обтекание неустойчиво, в результате чего равнодействующая может в любой момент сместиться в сторону от диаметральной плоскости и вызвать сильный крен или опрокидывание судна. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна.

Известен корпус судна с завалом борта и обратным наклоном форштевня (US 6601529, В63В 3/00, опубл. 05.08.2003 г.).

Недостатком данной конструкции является низкая остойчивость судна, что может привести к его опрокидыванию и гибели экипажа. Это объясняется уменьшенной по сравнению с традиционной конструкцией площадью ватерлинии, особенно при прохождении гребней волн, а также невысокими значениями восстанавливающего момента, действующего на судно при его накренении, что обусловлено малой величиной погружаемых в воду объемов судна при наклонении.

В качестве ближайшего аналога принят корпус судна (RU 2617866, МПК В63В 43/02, В63В 3/04, опубл. 28.04.2017 г.), выполненный в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, причем непроницаемая оболочка выполнена в виде двух отдельных непроницаемых частей - носовой и кормовой, связанных расположенным на носовой стороне корпуса от мидель-шпангоута неразъемным соединением, прочность которого выбрана такой, что обеспечивает соединение частей до достижения изгибающим моментом, действующим на неразъемное соединение, предельной величины, связанной с критической величиной гидродинамической силы, которая соответствует предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна.

Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в плохих мореходных качествах кормовой непроницаемой части судна, которая должна находиться на плаву после отделения носовой непроницаемой части судна для обеспечения спасения экипажа или движения в порт-убежище. Обводы кормовой непроницаемой части обладают неудовлетворительными гидродинамическими характеристиками, вследствие чего в штормовых условиях под воздействием волн, испытывая гидродинамические удары большой силы, она может опрокинуться, что приведет к гибели экипажа.

Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая гибель судна в ситуациях захвата волной носовой оконечности, за счет выполнения носовой оконечности с возможностью изменения формы в критический момент для улучшения гидродинамических характеристик и мореходности.

Для получения необходимого технического результата в корпусе судна, состоящем из отдельных частей, сформированных из наружной обшивки и балок набора в виде отдельных непроницаемых оболочек, связанных неразъемным соединением, прочность которого выбрана такой, что обеспечивает соединение частей до достижения критической величины гидродинамической силы Р_кр, которая соответствует предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна, предлагается корпус составить из основной части, которую выполнить с обратным наклоном форштевня и завалом борта в носовой оконечности, и двух частей, выполненных в виде булей, формирующих в носовой оконечности корпуса судна плоскую поверхность палубы и обеспечивающих развал борта. Нагрузку Р_отд, при которой произойдет отделение булей, предлагается определять из следующего соотношения:

,

где

Р_кр - критическое значение гидродинамической силы, при котором судно теряет остойчивость, Н;

S - погруженная площадь палубы при достижении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, критического значения, м²;

S_бп - погруженная площадь буля при достижении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, критического значения, м²;

К_З - коэффициент запаса.

В предлагаемом техническом решении при приближении гидродинамической силы, действующей на плоскость палубы в носовой оконечности, к критическому значению происходит отделение булей, и судно в носовой оконечности приобретает завал борта и обратный наклон форштевня, за счет чего снижается гидродинамическая сила, действующая на палубу при захвате волной носовой оконечности, и исключается опрокидывание судна и разрушение основной части корпуса, причем основная часть корпуса остается на плаву с сохранением мореходных качеств.

На прилагаемых чертежах изображено:

на фиг. 1 - общий вид корпуса судна;

на фиг. 2 - вид В на фиг. 1;

на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 1.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - часть основная корпуса;

2 - були отделяемые;

L - длина судна, м.

Конструкция корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих основную часть 1 корпуса и отделяемые були 2.

Корпус судна работает следующим образом.

При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к захвату волной носовой оконечности и появлению сложного режима обтекания палубы. В таких условиях возможно возникновение значительных нагрузок, действующих на корпус судна, вызванных обтеканием погруженной палубы, которую можно рассматривать как крыло сложной формы, расположенное под углом атаки к набегающему потоку жидкости. Под действием гидродинамической силы дифферент судна будет увеличиваться, а параметры его остойчивости резко снижаться [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30]. При приближении гидродинамической силы к критическому значению в предлагаемой конструкции произойдет отсоединение отделяемых булей 2 от основной части 1 корпуса, причем они останутся на плаву благодаря их водонепроницаемому исполнению. С отсоединением отделяемых булей 2 гидродинамические нагрузки, действующие на основную часть 1 корпуса, резко уменьшатся за счет формы обводов в носовой оконечности основной части 1 корпуса на одной трети длины судна, которая характеризуется завалом борта и обратным наклоном форштевня. Такая форма носовой оконечности основной части 1 корпуса позволит ей прорезать набегающие волны и избегать повторного захвата волной. Это даст возможность обеспечить безопасность экипажа, у которого будет время на принятие решений по выбору оптимального режима движения судна в порт-убежище и реализацию мероприятий по улучшению его остойчивости. Конструкция ближайшего аналога после отделения носовой непроницаемой части в условиях шторма на сильном встречном волнении характеризуется неудовлетворительной мореходностью вследствие плохой обтекаемости из-за наличия в носовой оконечности кормовой непроницаемой части плоской вертикальной поверхности. Это может привести к опрокидыванию кормовой непроницаемой части или ее разрушению под действием ударов волн в плоскую вертикальную поверхность ее носовой оконечности. Следует заметить, что в нормальных условиях эксплуатации, не связанных с воздействием экстремальных гидродинамических нагрузок на носовую оконечность, в предлагаемой конструкции наличие отделяемых булей 2, установленных на основной части 1 корпуса, обеспечивает развал бортов в носовой оконечности и всхожесть судна на волну, свойственные традиционной конструкции корпуса морских судов.

Для обеспечения своевременного отсоединения отделяемых булей 2 от основной части 1 корпуса разрушение их соединения должно происходить тогда, когда значение гидродинамической силы сравняется с некоторой критической величиной Р_кр, соответствующей предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна. Ее величина, а также погруженная площадь палубы судна S, и, соответственно, погруженная площадь булей S_бп, могут быть оценены для каждого конкретного судна с использованием аппарата теории корабля в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014 - С. 21-30].

Для обеспечения эффективности предлагаемой конструкции необходимо, чтобы при приближении значения гидродинамической силы к величине Р_кр действующее на каждый из булей 2 усилие достигало величины Р_отд, при которой происходит их отделение от основной части 1 корпуса, с учетом коэффициента запаса K_З. Из этого условия можно определить требуемое значение нагрузки Р_отд, под действием которой происходит отделение булей

где Р_отд - нагрузка, действие которой вызывает отделение буля от основной части корпуса, Н;

Р_кр - критическое значение гидродинамической силы, при котором судно теряет остойчивость, если отделение булей не предусмотрено конструкцией, Н;

S - погруженная площадь палубы при достижении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, критического значения, м²;

S_бп - погруженная площадь буля при достижении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, критического значения, м²;

K_З - коэффициент запаса.

Для обеспечения непотопляемости основной части 1 корпуса и отделяемых булей 2 они должны изготавливаться в водонепроницаемом исполнении. Прочность элементов носовой оконечности основной части 1 судна должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к бортовым перекрытиям рассматриваемого судна, так как после отсоединения отделяемых булей 2 эта часть корпуса окажется под воздействием нагрузок, сопоставимых с теми, которые действуют на бортовые перекрытия.

Обеспечить отрыв отделяемых булей 2 при достижении нагрузкой величины Р_отд можно за счет использования болтовых и заклепочных соединений, при этом болты либо заклепки должны срезаться усилием, возникающим при приложении к верхней части буля 2 усилия Р_отд. Также возможно применение сварных швов, прочность которых должна обеспечивать восприятие верхней частью буля 2 усилия, не превышающего Р_отд.

Следует заметить, что чрезмерное уменьшение величины Р_отд может привести к недопустимому снижению прочности соединения булей 2 с основной частью 1 корпуса и их отрыву в процессе нормальной эксплуатации, не сопряженной с воздействием экстремальных нагрузок в процессе захвата волной носовой оконечности. Для предотвращения такой ситуации может потребоваться реализация мероприятий, увеличивающих значения Р_кр, т.е. повышающих остойчивость судна. Это позволит обеспечить достаточную прочность корпуса судна и эффективность предлагаемых конструктивных решений.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет исключить потерю остойчивости судном при движении на встречном волнении в штормовых условиях, а также сохранить его мореходные качества после выхода судна из захвата волной за счет отделения заранее предусмотренных элементов конструкции, что способствует повышению безопасности мореплавания.