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, 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 про хождении 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, 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 за счет его снятия с судна 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. Также возможно разрушение плоской переборки, находящейся в носовой оконечности кормовой непроницаемой части, и представляющей собой вертикальную плоскость, которая подвергнется действию ударов волн после отделения носовой непроницаемой части.

Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая гибель судна, вышедшего из захвата волной путем отделения носовой непроницаемой части, за счет улучшения гидродинамических характеристик и мореходности кормовой непроницаемой части.

Для решения поставленной задачи в корпусе судна, выполненном в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора в виде двух отдельных непроницаемых частей - носовой и кормовой, связанных неразъемным соединением, прочность которого выбрана такой, что обеспечивает соединение частей до достижения критической величины гидродинамической силы, которая соответствует предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна, предлагается носовую оконечность кормовой непроницаемой части выполнить с обратным наклоном форштевня и завалом борта,

В предлагаемом техническом решении при приближении гидродинамической силы, действующей на плоскость палубы в носовой оконечности, к критическому значению происходит отделение носовой непроницаемой части. При этом экипаж находится на кормовой непроницаемой части, имеющей в носовой оконечности завал борта и обратный наклон форштевня, за счет чего снижается гидродинамическая сила, действующая на палубу при зарывании кормовой непроницаемой части носовой оконечностью в волну, и исключается опрокидывание кормовой непроницаемой части и ее разрушение под действием ударов волн, что позволяет кормовой непроницаемой части оставаться на плаву с сохранением мореходных качеств и обеспечивает безопасность экипажа.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг. 1 - общий вид корпуса судна;

на фиг. 2 - кормовая непроницаемая часть;

на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2;

на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - кормовая непроницаемая часть;

2 - носовая непроницаемая часть;

3 - неразъемное соединение;

L - длина судна, м;

L_H - длина носовой непроницаемой части, м;

L_К - длина кормовой непроницаемой части, м;

Р - равнодействующая гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, Н;

- расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, м;

ДП - диаметральная плоскость судна.

Конструкция корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих кормовую непроницаемую часть 1, имеющую в носовой оконечности завал борта и обратный наклон форштевня, и носовую непроницаемую часть 2, которые соединяются неразъемным соединением 3.

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 за счет разрушения неразъемного соединения 3 произойдет отсоединение носовой непроницаемой части 2 от кормовой непроницаемой части 1, причем они останутся на плаву благодаря их водонепроницаемому исполнению. С отсоединением носовой непроницаемой части 2 гидродинамические нагрузки, действующие на кормовую непроницаемую часть 1, резко уменьшатся за счет формы обводов в носовой оконечности кормовой непроницаемой части 1, которая характеризуется завалом борта и обратным наклоном форштевня. Такая форма носовой оконечности кормовой непроницаемой части 1 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 носовой непроницаемой части 2 обеспечивает развал бортов в носовой оконечности и всхожесть судна на волну, свойственные традиционной конструкции корпуса морских судов.

Для обеспечения своевременного отсоединения носовой непроницаемой части 2 от кормовой непроницаемой части 1 разрушение неразъемного соединения 3 должно происходить тогда, когда значение гидродинамической силы приблизится к критической величине Р_кр, соответствующей предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна. Ее величина и отстояние точки приложения от носа судна 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].

Таким образом, необходимо, чтобы при приближении значения гидродинамической силы к величине Р_кр действующий в неразъемном соединении 3 изгибающий момент был равен предельному моменту М₀, при котором происходит разрушение неразъемного соединения 3, с учетом коэффициента запаса К_З. Из этого условия можно определить требуемый предельный момент для неразъемного соединения 3, при котором будет происходить его разрушение

где М₀ - предельный момент, который может быть воспринят неразъемным соединением, Н⋅м;

- изгибающий момент в неразъемном соединении от действия сил поддержания, Н⋅м;

- изгибающий момент в неразъемном соединении от действия сил тяжести, Н⋅м;

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

L_H - длина носовой непроницаемой части, м;

- расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна, м;

К_З - коэффициент запаса.

Обеспечить отрыв носовой непроницаемой части 2 при достижении изгибающим моментом величины М₀ можно за счет использования болтовых и заклепочных соединений, при этом болты либо заклепки должны срезаться усилием, возникающим при действии в неразъемном соединении 3 изгибающего момента М₀. Также возможно применение сварных швов, прочность которых должна обеспечивать восприятие неразъемным соединением 3 изгибающего момента, не превышающего М₀, а также листов обшивки уменьшенной толщины.

Следует заметить, что чрезмерное уменьшение величины М₀ может привести к недопустимому снижению прочности неразъемного соединения 3 носовой непроницаемой части 2 с кормовой непроницаемой частью 1, что будет способствовать разъединению частей 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 носовой оконечности вол ной за счет отделения носовой непроницаем ой части 2 и совершенствования обводов кормовой непроницаемой части 1, что способствует повышению безопасности мореплавания.