Результат интеллектуальной деятельности: КОРПУС СУДНА

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

Известна конструкция передней части судна вытеснительного типа (Патент РФ на изобретение №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 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, 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 либо разрушение его корпуса [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, а также разрушение его корпуса. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна.

Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая катастрофическое снижение остойчивости судна и разрушение его корпуса при захвате волной носовой оконечности за счет возможности улучшить условия обтекания носовой оконечности в критических ситуациях и, как следствие, уменьшить гидродинамическую силу, действующую на носовую оконечность корпуса судна.

Для решения поставленной задачи в корпусе судна, выполненном в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, предлагается носовую оконечность оснастить нижней палубой, выполненной обтекаемой, и верхней палубой, выполненной плоской, разделенной на отдельные части по длине судна. Каждую часть плоской палубы предлагается составить из ориентированных по длине судна и шарнирно соединенных секций и снабдить барабаном для укладки/удаления секций. Кроме того, верхнюю часть бортового перекрытия в носовой оконечности предлагается выполнить в виде отдельных секций, при этом, каждую секцию шарнирно соединить одним концом с бортовым перекрытием, а второй конец снабдить упругим элементом для возможности отклонения от положения равновесия.

В предлагаемом техническом решении при возникновении опасности захвата волной носовой оконечности судна верхняя плоская секционная палуба наматывается на барабаны, в результате чего при погружении носовой оконечности в воду поток жидкости действует на нижнюю палубу обтекаемой формы, и, отклоняя шарнирно закрепленные секции бортового перекрытия, стекает с нее, что способствует улучшению условий обтекания корпуса судна и снижению действующих на него нагрузок, за счет чего исключается опрокидывание судна и разрушение его корпуса.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг. 1 - вид сверху на корпус судна в районе носовой оконечности;

на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 1 с отклоненными от положения равновесия шарнирно закрепленными секциями бортового перекрытия;

на фиг. 4 - узел I на фиг. 3.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - палуба верхняя плоская секционная;

2 - палуба нижняя обтекаемой формы;

3 - барабан;

4 - бимс;

5 - секция палубы;

6 - шарнир палубный;

7 - секция бортового перекрытия шарнирно закрепленная;

8 - шарнир бортовой;

9 - элемент упругий;

10 - ребро жесткости секции палубы;

b₁ - ширина секций палубы, образующих при наматывании на барабан первый слой, мм;

b₂ - ширина секций палубы, образующих при наматывании на барабан второй слой, мм;

b_1,2 - ширина секции палубы на которой осуществляется переход с первого слоя на второй, мм;

L - длина грани барабана, мм.

Конструкция корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих нижнюю палубу 2 обтекаемой формы и верхнюю плоскую секционную палубу 1, состоящую из подкрепленных ребрами 10 жесткости секций 5 палубы, соединенных палубными шарнирами 6 и лежащих на бимсах 4. В районе диаметральной плоскости судна установлены барабаны 3, к которым присоединены примыкающие секции 5 палубы. Верхняя часть бортового перекрытия в носовой оконечности выполнена в виде отдельных секций 7, установленных на шарнирах 8 и снабженных упругими элементами 9.

Корпус судна работает следующим образом. При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к 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. Кроме того, происходит рост напряжений от общего изгиба, что может привести к разрушению корпуса 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].

В предлагаемой конструкции в условиях шторма при возникновении опасности захвата волной носовой оконечности судна осуществляется наматывание верхней плоской секционной палубы 1 на барабаны 3. В результате этого при погружении носовой оконечности в воду будет происходить обтекание не плоской поверхности, а нижней палубы 2 обтекаемой формы, что приведет к снижению гидродинамических нагрузок на палубу судна в его носовой оконечности (фиг. 1, фиг. 2). При этом будут отклоняться от положения равновесия шарнирно закрепленные секции 7 бортового перекрытия (фиг. 3), и вода будет стекать с нижней палубы 2 обтекаемой формы. Для обеспечения беспрепятственного наматывания на барабаны 3 верхней плоской секционной палубы 1 ее разбивают на части по длине судна, а по ширине судна составляют из соединенных палубными шарнирами 6 секций 5 палубы. Их ширина определяется диаметром барабана 3, его формой, толщиной обшивки, высотой ребра 10 жесткости секции палубы, а также порядковым номером секции 5 палубы, отсчитываемым от ближайшей к барабану 3 секции 5 палубы. Для придания жесткости конструкции верхней плоской секционной палубы 1 секции 5 палубы снабжены ребрами 10 жесткости секции палубы, а бимсы 4 выполнены в виде сдвоенных балок, зазор между которыми соответствует толщине ребра 10 жесткости секции палубы. В развернутом состоянии верхней плоской секционной палубы 1 может осуществляться крепление ребер 10 жесткости секции палубы к бимсам 4. На фиг. 4 представлен шестигранный барабан 3 (число граней N=6), в этом случае при наматывании верхней плоской секционной палубы 1 в каждом слое секций 5 палубы, уложенных на барабан 3, должно быть N-1=5 одинаковых секций, а также одна - отличающаяся по длине, служащая для перехода на следующий уровень. Поэтому ширина первых пяти секций 5 палубы, ближайших к барабану 3, должна приниматься равной длине его грани, т.е. b₁=L. Ширина b₂ (мм) пяти одинаковых секций 5 палубы, образующих при наматывании на барабан 3 второй слой, должна определяться выражением

где

h - высота ребра 10 жесткости секции палубы, мм;

t - толщина обшивки секции 5 палубы, мм.

Так, при длине грани барабана L=600 мм имеем: b₁=600 мм, b₂=669,3 мм. Аналогично может быть определена ширина b_n (мм) секций 5 палубы, образующих слой с номером n при наматывании на барабан

где

b_n-1 - ширина секций 5 палубы, образующих при наматывании на барабан слой с номером n-1, мм.

В общем случае, когда число граней барабана 3 равняется N, ширина секций 5 палубы должна определяться из выражения

где

b_n - ширина секций 5 палубы, образующих при наматывании на барабан слой с номером n, мм;

b_n-1 - ширина секций 5 палубы, образующих при наматывании на барабан слой с номером n-1, мм;

h - высота ребра 10 жесткости секции палубы, мм;

t - толщина обшивки секции 5 палубы, мм;

N - количество граней барабана.

Ширина секции 5 палубы, на которой осуществляется переход на следующий уровень при наматывании верхней плоской секционной палубы 1 на барабан 3, определяется из выражения

где

b_n - ширина секций 5 палубы, образующих при наматывании на барабан слой с номером n, мм;

b_n-1 - ширина секций 5 палубы, образующих при наматывании на барабан слой с номером n-1, мм;

b_n-1,n - ширина секции 5 палубы, на которой осуществляется переход со слоя с номером n-1 на слой с номером n, мм;

N - количество граней барабана.

Так, в приведенном выше примере шестигранного барабана в длиной грани L=600 мм b_1,2=637,3 мм.

При отсутствии обтекания нижней палубы 2 обтекаемой формы потоком жидкости, шарнирно закрепленные секции 7 бортового перекрытия прижимаются к корпусу судна под действием упругих элементов 9. При накренении судна шарнирно закрепленные секции 7 бортового перекрытия будут дополнительно прижиматься к корпусу давлением забортной воды, предотвращая ее поступление в пространство между нижней палубой 2 обтекаемой формы и верхней плоской секционной палубой 1. Таким образом, в случае реализации предлагаемой конструкции судно будет иметь значительную площадь ватерлинии и, соответственно, обладать высокой поперечной остойчивостью.

Силу, действующую на носовую оконечность конструкции ближайшего аналога (или предлагаемой конструкции с верхней плоской секционной палубой 1 в развернутом состоянии) и предлагаемой конструкции после наматывания верхней плоской секционной палубы 1 на барабаны 3, можно оценить с помощью (Кухлинг X. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. - М.: Мир, 1985. - 520 с.). Так, на тело, находящееся в потоке жидкости действует сила F (Н)

где С - коэффициент, зависящий от формы тела, числа Рейнольдса (для пластины С_пласт=1,11, для обтекаемого тела С_обт=0,4);

S - площадь наибольшего сечения тела в плоскости, перпендикулярной направлению потока, м²;

ρ - плотность жидкости, кг/м³;

V - скорость набегающего на тело потока жидкости, м/с.

Так как для конструкции ближайшего аналога (или предлагаемой конструкции с верхней плоской секционной палубой 1 в развернутом состоянии) и предлагаемой конструкции после наматывания верхней плоской секционной палубы 1 на барабаны 3 параметры S, V, ρ равны, то отношение сил, действующих на них при обтекании носовой оконечности, равно отношению коэффициентов С_пласт и С_обт, т.е.

где F_б.a. - сила, действующая на конструкцию ближайшего аналога (или предлагаемой конструкции с верхней плоской секционной палубой 1 в развернутом состоянии) при обтекании носовой оконечности;

F_n.к. - сила, действующая на предлагаемую конструкцию после наматывания верхней плоской секционной палубы 1 на барабаны 3 при обтекании носовой оконечности.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет почти в 3 раза снизить гидродинамическую силу, действующую на носовую оконечность судна при ее обтекании.

Для идентификации опасной ситуации, при которой возникает вероятность захвата волной носовой оконечности судна, и, соответственно, необходимость наматывания верхней плоской секционной палубы 1 на барабаны 3, могут быть использованы подходы к контролю динамики судна, изложенные в [Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И. Построение алгоритма контроля ситуации захвата волной носовой оконечности судна методами современной теории катастроф // Известия КГТУ. - Калининград: ФГБОУ ВПО «КГТУ», 2015. - №37. - с. 178-185]. При этом команда на наматывание верхней плоской секционной палубы 1 на барабаны 3 может отдаваться как судоводителем, так и бортовой интеллектуальной системой в автоматическом режиме.

Таким образом, предлагаемая конструкция, в отличие от ближайшего аналога, позволяет исключить потерю остойчивости и разрушение корпуса судна при движении на встречном волнении в штормовых условиях, улучшив условия обтекания носовой оконечности в критических ситуациях, что способствует повышению безопасности мореплавания.