Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Сахалинский государственный университет»
ОКПО 48714232, ОГРН 1026500534720, ИНН/КПП 6500005706/650101001
693008, Россия, г. Южно-Сахалинск, ул. Ленина, 290
Тел.:(4242) 45-23-01, факс: 45-23-00, E-mail: Rector@SakhGU.ru, www.SakhGU.ru


Заявка на изобретение
« Морской спасатель – научно-исследовательское судно »
Рег.№ 2015126828 от 2015-07-03

Автор: Храмушин Василий Николаевич

Правообладатель: Сахалинский государственный университет


Морской спасатель – научно-исследовательское судно

Патент № (19) RU (11) 2 603 818(13) C1,
Рег.№ 2015126828/11(041761) от 2015-07-03. (составлено 2015-03-26)
Бюлл. № 33 от 2016-11-27, решение о выдаче патента от 2016-07-04
(A1202)
B63B 35/00   Суда или подобные плавучие устройства, предназначенные для специальных целей ...
B63B 1/04     Гидродинамические или гидростатические характеристики ... однокорпусных судов
B63B 1/32   ... прочие средства для изменения гидродинамических характеристик корпусов.

Marine rescue research ship.
Abstract of invention
:
Field: shipbuilding.
Substance: invention relates to shipbuilding and navigation in severe storm and ice conditions. Invention covers all-weather sea rescue research ship created with orientation on multigrade and all-weather navigation in the Far-Eastern seas of Russia. Invention defines optimized hull form, as well as design and arrangement of superstructure, devices and mechanisms of the ship.
Effect: technical result consists in minimizing of external force action on the side of the hurricane winds and storm waves at active ship maneuvering.
1 cl, 4 dwg.

Формула изобретения

Морской спасатель – научно-исследовательское судно, среднего водоизмещения с высокой энерговооруженностью и оснащенное автоматической кормовой лебедкой, порталами и кат-балками для забортных работ, и отличающееся:

– округлой формой корпуса с относительно большой осадкой под заостренной крейсерской кормой; заостренными ватерлиниями и малой осадкой за счет строительного дифферента в точке сопряжения подводного подреза форштевня; – носовая надстройка с ярусом жилых отсеков включается в герметичный контур запаса плавучести, и во избежание обледенения не имеет плоской верхней палубы; – заваленным в корму форштевнем и предельно низким баком, где устроены спонсоны с поддержкой автоматического выведения за борт гидрофизической аппаратуры и параванов через порты округлой переборки в носовой надстройке; – столь же низкими бортовыми спонсонами с кат-балками для управляемых с верхней палубы гидрофизических приборов или спасательных устройств и механизмов, выводимых за борт под укрытием за носовой надстройкой; – на кормовой палубе располагаются грузовые устройства, люковое закрытие трюма, порт для выхода приборных кабелей и буксирного троса, а также портал для буксируемых устройств и клюз-битенг в одной вертикальной плоскости с гребными винтами; – оснащенное электродвигателями на гребных валах для экономичных режимов хода при остановленных главных машинах, и в качестве валогенераторов при задействовании буксирных лебедок, водоотливных спасательных средств или забортных гидрофизических комплексов с повышенным потреблением электроэнергии, что, в едином комплексе построения обводов корпуса и общекорабельной архитектуры, служит всесезонной и всепогодной навигации и активному маневрированию судна в условиях ураганных ветров и интенсивного штормового волнения при исполнении предназначения судна в холодных дальневосточных морях.

Реферат описания изобретения

«Морской спасатель – научно-исследовательское судно».

Изобретение относится к области судостроения и судоходства в сложных, штормовых и ледовых условиях плавания.

Объектом изобретения является всепогодный морской спасатель – научно-исследовательское судно, создаваемое на основе целевого непротиворечивого проектирования [1, 2] с ориентацией на всесезонное и всепогодное мореходство в дальневосточных морях России. Изобретением определяется комплекс оптимизированных инженерно-технических решений для минимизации внешнего силового воздействия со стороны ураганных ветров и девятых валов штормового волнения, обеспечиваемых без ущерба для маневренности и поддержания незаливаемости кормовых рабочих палуб, что достигается в условиях интенсивной килевой и бортовой качки при удержании линии борта над поверхностью гребней штормовых волн.

В качестве прототипа корпуса судна выбраны обводы древнего арабского судна – шебеки, и аналогичных по штормовых мореходным качествам судов русских поморов – северных кочей. Увеличенный подводный объем в кормовой части этих исторических судов служит гидродинамическому удержанию кормовой оконечности в потоке штормовых волн, что требуется для достижения штормовой маневренности под управлением навесного кормового руля. Заостренные обводы, завышенная высота и большой надводный объем надстройки в носовой оконечности судна определяют условия для приведения на одну вертикаль центра бокового сопротивления подводной части корпуса и центра парусности при движении его надстроек при движении полными ходами в условиях свежих ветров и штормового волнения, это же техническое решение служит для достижения исторически выверенного режима хода по волне под парусом–надстройкой и управлением глубоко посаженного кормового навесного руля.

Обводы и форма корпуса морского спасателя – научно-исследовательского судна включают инженерные решения из изобретения «Корабля, остойчивого в штормовом плавании» [3], по которому проводился комплекс вычислительных экспериментов и мореходных испытаний на регулярном волнении в опытовом бассейне и в условиях интенсивного ветрового волнения в открытом море.

Описание изобретения

«Морской спасатель – научно-исследовательское судно».

Изобретение относится к судостроению и судовождению в штормовых и ледовых условиях дальневосточных морей России.

Назначение

Настоящим изобретением определяются перспективный проект и комплекс инженерно-технических решений по форме корпуса и общекорабельной архитектуре экспедиционного морского спасателя неограниченного океанского плавания, в том числе предназначенного для обеспечения широкого круг морских гидрофизических и океанографических исследований с параванами, самоходными и буксируемыми кабельными станциями при повседневном обеспечении эффективной работы морских рыбопромысловых и природоресурсных экспедиций, и в том числе способного к спасению человеческой жизни море с помощью буксировки аварийных судов или снятия судовых экипажей в любые сезоны года при любых погодных условиях дальневосточных морей России.

Уровень техники

Концепция целевого непротиворечивого проектирования основана на необходимости всестороннего изучения и практического учета общегеографических условий и навигационных особенностей для достижения неограниченного плавания проектируемых судов, с комплексным рассмотрением всех аспектов эксплуатации строгом соответствии с наставлениями и техническими требованиями судоводителей и судовладельцев, которые несут реальную ответственность за поддержание всепогодной и всесезонных навигации на конкретных морских путях и в заданных акваториях ведения морских работ.

Относительно небольшое водоизмещение судна (1740 м3), обладающего достаточно прочным корпусом с избыточно мощными главными машинами для активного противостояния штормовой стихии и безусловного выполнения поставленной задачи в режиме поддержания высокой скорости хода и устойчивой динамики корпуса для уверенного маневрирования в условиях интенсивного волнения под ударами ураганных ветров. Активная стабилизация качки, а также динамическое влияние на посадку, крен и дифферент судна с использованием автоматически управляемых поворотных насадок на гребных винтах принципиально достижимы при форсировании главных двигателей с валогенераторами, при условии, что обводы корпуса, форма и архитектура надстроек оптимизированы по условиям минимизации внешнего силового воздействия на судно со стороны ураганных ветров, штормовых волн и гребней девятых валов трохоидальной природы.

Настоящим изобретением устанавливается сбалансированный комплекс инженерно-технических решений для построения высокоманевренного судна среднего водоизмещения, обладающего возможностью устойчивого движения произвольными курсами как на малых и экономичных ходах, так и на форсированных скоростях хода в условиях ураганных ветров и штормовых волн в северной части Тихого океана и в ревущих широтах Антарктического пояса. При этом судно обладает способностью прецизионно точного позиционирования при постановке на буксир или спасению экипажей аварийных судов, при необходимости проведения гидрофизических экспериментов или океанографических съемок в неблагоприятных погодных условиях. Для достижения указанных штормовых мореходных качеств в проектном задании не выставляется особых требований по обитаемости: малости и плавности качки, которая может проходить во временном темпе штормовых волн с неограниченно сильными откликами на силовое воздействие штормовых волн, и даже резонансами по бортовой, вертикальной качке и ускорениям в оконечностях корпуса, что не будет являться критическим недостатком спасателя – научно-исследовательского судна при должной выучке профессионального экипажа.

В то же время, форма корпуса и надстроек могут способствовать приведению судна на курс по волне при остановленных главных машинах, что позволит судну войти в режим пассивного управляемого движения по волне, под парусом – надстройкой, включая режим дельфинирования без опасности брочинга, при заметном умерении качки улучшении условий обитаемости для экипажа.

Для исключения заливаемости верхней кормовой рабочей палубы устраивается относительно высокий ют с крейсерской формой кормовой раковины, что приведет к значительному усилению вертикальной качки а малых ходах или без хода, что формально создаст условия для эффективной работы активных стабилизаторов килевой и бортовой качки – штормовых движителей [4].

В носовых обводах корпуса реализован расчетный вариант по условиям минимизации корабельного волнообразования (фиг. 3) [5], как – отклика на силовое воздействие внешних штормовых волн при решении обратной задачи в рамках анализа компонент интеграла Джона Генри Мичелла [6, Michell J.H. 1898].

В то же время, кормовые обводы, где корабельное волнообразование существенно искажено вихревым погранслоем, спутными и отрывными потоками, возникающими под прямым воздействием разрежения от работающих движителей: кормовая скула, ахтерштевень и кормовой подзор выполнены по рецептам для тихоходной арабской шебеки (поморского коча) от средневековых корабелов, ориентировавшихся на особые мореходные свойства формы тела крупных водоплавающих птиц, прекрасно удерживающихся на воде в условиях интенсивного ветрового волнения с обрушающимися гребнями девятых валов. Условно такой вариант корпуса для относительно быстроходного судна можно назвать как: «утка с носом».

Осуществление изобретения

Морской спасатель – научно-исследовательское судно скомпоновано в корпусе средневекового парусного судна – арабской шебеки или северного коча русских поморов, обладавших повышенными штормовыми мореходными качествами и способностью устойчивого хода на курсе по штормовой волне, что обеспечивалось использованием глубокопосаженного кормового навесного руля.

Судно имеет увеличенную осадку и значительно больший подводный объем в кормовой части корпуса, и, наоборот, большой надводный объем и завышенную парусность носовой надстройки при малой полноте носовых обводов, имеющих заостренные носовые ватерлинии и уменьшенную осадку за счет строительного дифферента и штормового подреза форштевня. Столь существенная асимметрия корпуса относительно мидельшпангоута дает судну свойство штормового ветрового флюгера, способствующего пассивному выведению обездвиженного судна на курс по ветру и волне, после чего у такого «флюгер» аэродинамические моменты сил компенсируются гидродинамическими, что происходит по мере обретения судном хода вперед, так как в этом случае центр бокового сопротивления корпуса начинает смещение в нос в сторону заостренных ватерлиний, и даже может проявиться в некой виртуальной точке впереди форштевня, если корпус судна будет иметь заваленный в корму форштевень и заваленные внутрь носовые ветви шпангоутов вблизи форштевня на уровнях переменных при вертикальной качке посадках корпуса, что формально соответствует осредненному гидродинамическому действию носового бульба.

Характеристики судна для активного штормового маневрирования:
  Длина наибольшая               L	62.8 м;
  Длина по ватерлинии            LKWL	60 м;
  Ширина наибольшая              B	10.3 м;
  Ширина по ватерлинии           ВKWL	10 м;
  Ширина по верхней палубе       ВDeck	8.66 м;
  Осадка носом/кормой	         ТН/К	4 / 6 м;
  Водоизмещение	                 W	1 740 м3;
  Площадь смоченной поверхности	 S	809 м2;
  Коэффициент общей полноты      d	0.58;
  Экипаж, включая научную группу 15 чел.

Носовая палуба, палуба бака имеет предельно низкую высоту: 1,25 м и укрывается фальшбортом без шпигатов и полупортиков, и с заметным развалом верхних фрагментов шпангоутных ветвей (фиг. 2). Если относительный дифферент на нос на ходу судна не превышает 2,5 м, то фальшборт способствует гидродинамической компенсации погружения палубы бака под встречную волну, если же такой дифферент превышает 2,5 м., то потоки воды перехлестывают через фальшборт на палубу бака и удерживает носовую оконечность от быстрого всплытия при встрече с крупными штормовыми волнами. Такие потоки воды сбрасываются за борт через широкие порты в районе носовых спонсонов в непосредственной близости к носовой надстройке. Сужение потока и расширение палубы на спонсонах усиливают стабилизирующий эффект за счет ускорения и выравнивания сбрасываемой за борт струи воды.

Мореходные испытания телеуправляемой модели морского спасателя – научно-исследовательского судна в условиях интенсивного ветрового волнения в открытом море показали, что корпус судна стабилизируется по качке на нерегулярном волнении и хорошо удерживается относительно быстро меняющейся поверхности крупных морских волн (даже при высоте ветровых волн соизмеримой с длиной корпуса модели), отчего палуба бака практически никогда не зарывается под гребнями встречных и попутных волн, и большую часть времени ходовых испытаний оставалась сухой.

Обводы корпуса в носовой оконечности оптимизированы по минимуму корабельного волнообразования судна на всех скоростях хода (фиг. 3), что в мореходных экспериментах подтверждалось ослаблением силового воздействия гребней крутых волн и хорошей стабилизацией корпуса по килевой качке и рысканию. Кормовая часть корпуса, которая на ходу судна попадает под стабилизирующее воздействие корабельного волнобразования и активного волноотражения в специально оптимизированных носовых обводах, имеет округлую и весьма утяжеленную форму с наибольшей величиной продольного момента инерции площади ватерлинии. Таким образом, кормовая часть судна подобно широкобортной ладье подвергается наибольшему воздействию наклонов уровня поверхности моря, при том, что управляющие моменты от винто-рулевого и стабилизирующего комплекса сбалансируются относительно хорошо оптимизированной и весьма устойчивой носовой оконечности, а при снижении мощности или остановке главных машин под кормовым позором значительно усиливается гидродинамическое влияние вертикальной качки, что вовлекает в работу стабилизирующего устройства в качестве дополнительного или аварийного движителя.

Самостоятельная ледовая проходимость морского буксира – научно-исследовательского судна предусматривается в режиме ледореза, при котором судно может длительным упором главных машин разламывать или разделять ледовые поля без их разрушения. Такой режим обеспечивается повышенной прочностью форштевня и, для безопасности при разрывах бортовой обшивки, двойными бортами с малыми герметичными отсеками в носовой части судна.

Гидростатические расчеты (фиг. 4) показывают достижение минимальной начальной остойчивости при рабочей, и немного меньшей осадке судна, что позволяет значительно увеличить период бортовой качки и тем самым пассивно стабилизировать бортовую качку. Однако, несмотря на абсолютную остойчивость на больших углах крена, максимальное плечо остойчивости может снижаться до величины 0,5 м, что может грозить большими углами крена при непериодических внешних воздействиях, как пример – циркуляция, и в то же время служит главным фактором для достижения эффективной работы активных стабилизаторов килевой и бортовой качки судна. Мореходные испытания телеуправляемой модели судна на регулярном волнении в опытовом бассейне показали возможность возникновения интенсивной резонансной бортовой качки при остановке судна на курсе лагом к волне, и такую опасность возникновения больших углов крена необходимо учитывать в организации быта экипажа и в планировании производственных процессов на борту судна.

Важной особенностью общей архитектуры судна является вовлечение двух ярусов носовой надстройки в герметичный объем запаса плавучести (фиг. 2), что придает корпусу и носовой надстройке внешний облик кругового цилиндра, на котором не формируются опасные кренящие моменты под силовым воздействием штормовых волн трохоидальной природы. Относительно узкая и высокая крейсерская корма необходима для обеспечения работ на верхней палубе в условиях интенсивного волнения, а также для глубокого погружения пера руля и гребных винтов под кормовым подзором, что формирует плавниковый ахтерштевень для стабилизации и устойчивой работы пера руля при интенсивной вертикальной качке в зоне кормовой оконечности, оптимизируемой по величине объема гнадводной части кормовой раковины из принципа удержания палубы юта над водой при минимально возможных дифферентующих моментах, не приводящих к опасности брочинга захватом попутной волной, и не угрожающих дифферентом на нос с подныриванием под волну низкой носовой палубы бака, отчего может резко снизиться скорость хода с опасным ухудшением управляемости в штормовом маневрировании при спасательных операциях.

На кормовой палубе устроен порт-слип, над которым установлен портал для работы с буксируемыми забортными устройствами и, при необходимости, используемый для манипулирования на открытой верхней палубе с громоздкими буксирными и спасательными устройствами, с забортными приборам, механизмами или тяжелыми скобами буксирных тросов. В походном положении и при выполнении буксирных операций портал опускается на палубу за горловиной кормового трюма. Битенг-клюз используется для работы с буксирным и швартовными тросами, вьюшки и лебедки которых располагаются в укрытом помещении на уровне главной палубы (шп. 14-16) над большой автоматической буксирной лебедкой (шп. 13-15). Мачта-портал за кормовой рубкой имеет две грузовые стрелы, которые также включаются в обеспечение работ на кормовой рабочей палубе и управляются с контроллеров из кормовой рубки.

На палубе бака установлен только якорно-швартовный шпиль, управляемый из носовой надстройки. Там же, под укрытием в обогреваемом помещении располагаются швартовные вьюшки и кабельные лебедки (фиг. 1, теоретические шпангоуты 2-3), что важно для предотвращения возможности обледенения с накоплением тяжелых ледовых нагромождений на палубе, весьма опасных для судна с предельной низкой начальной остойчивостью. Второй ярус носовой надстройки (шп. 4-7) содержит жилые помещения общей площадью 70 м2. Кают-кампания суммарной площадью 96 м2 располагается на главной палубе (шп. 9-13). Основной блок бытовых и служебных помещений размещается под главной палубой (шп. 3-12) покрывает площадь порядка 216 м2, за которым следуют помещения автоматической буксирной лебедки (шп. 12-16), машинное отделение (шп. 12-16) и кормовой трюм экспедиционного снаряжения (шп. 16-18) и отсеки для рулевых и стабилизирующих качку механизмов (шп. 16-20). Судовое снабжение и провизия складируются в специальных отсеках и рефрижераторных камерах под бытовыми помещениями (шп. 6-12) общей площадью 160 м2, под которыми, а также в зауженных носовых отсеках (шп. 1-6) устраиваются танки для топлива, пресной воды и балласта для регулирования осадки на носовом штевне и автоматического поддержания минимальной начальной остойчивости судна.

Чертежи:
«Морской спасатель – научно-исследовательское судно»


Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3.

Fig. 4.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Совмещенное изображение схемы общего расположения и теоретического чертежа в проекциях «бок» и «полуширота» морского спасателя – научно-исследовательского судна. Судно имеет относительно полную и тяжелую кормовую оконечность, которая на ходу удерживается на осредненном уровне относительно поверхности штормового моря, при этом облегченная и заостренная носовая оконечность обеспечивает достижение высокой ходкости и управляемости в условиях активного маневрирования под ураганными ветрами и с высокими гребнями прогрессивных волн и девятых валов трохоидальной природы.

Фиг. 2. Проекция корпус теоретического чертежа совмещена с соответствующими видами судна с носа и с кормы. Заостренные ветви носовых шпангоутов входят в цилиндрический контур вместе с носовой надстройкой, что с развитыми винтовыми поверхностями в скуловых обводах обеспечивает стабилизацию носовой оконечности и снижение рыскания судна на ходу в условиях интенсивного волнения. Обводы кормовой оконечности способствуют вертикальной стабилизации корпуса на ходу судна при активной работе гребных винтов, а также хорошей управляемости и маневренности за счет глубокопосаженного пера руля с относительно большой площадью, и полностью раскрепощают вертикальную качку кормовой оконечности при остановке главных машин, что создает условия для задействования активных успокоителей качки в качестве штормовых аварийных движителей. На умеренном волнении эти же пассивные движители могут быть использованы для поддержания хода и заданного курса во время дежурства или гидрографического картирования акваторий на скоростях хода порядка 2-3 узлов.

Фиг. 3. В верхней части рисунка приведены кривые распределенной интенсивности волнообразования для различных скоростей хода от Fn=0,2 до Fn=0,5, изображенные над ватерлиниями проекции полуширота теоретического чертежа судна. Характер ветвления кривых волнообразования в кормовой части корпуса свидетельствует о том, что кормовые обводы проектировались исходя из других принципов и не оптимизировались по условиям корабельного волнообразования. На врезке слева-вверху приведены графики коэффициентов волнового сопротивления Cw и удельного волнового сопротивления по отношению к водоизмещению судна Rw/D.

Фиг. 4. Результаты гидростатических расчетов по корпусу морского спасателя – научно-исследовательского судна. В диаграммах Рида аппликата центра тяжести зафиксирована в положении метацентра на рабочей осадке (5-ВЛ), что подтверждает увеличение остойчивости при любом изменении посадки судна в условиях вертикальной качки. Остойчивость на больших углах крена всегда положительна, и достигает максимума когда судно ложится на борт (j=90°). На кривых элементов теоретического чертежа (справа) важно отметить сохранение абсциссы центра площади ватерлиний строго вблизи мидель-шпангоута. Наибольший момент инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси достигается на уровне рабочих осадок (ВЛ: 4-5), что соответствует требованию о необходимости отслеживания корпусом судна осредненной поверхности взволнованного моря, что важно для ведения палубных работ и спасательных операций в условиях интенсивной качки при минимальной заливаемсти верхних палуб.

Список использованных источников

  1.  С. И. Кроленко, В. Н. Храмушин, Ключевые проектные решения и особенности штормового кораблевождения // Доклады научно-технической конференции: «Проблемы мореходных качеств судов, корабельной гидромеханики и освоения шельфа» (XLIV Крыловские чтения). СПб: ЦНИИ им. А.Н. Крылова, Центральное Правление РосНТО судостроителей им А.Н. Крылова, секция мореходных качеств судов. 15–16 ноября 2011 г., Санкт-Петербург. С. 72–85.
  2. В. Н. Храмушин. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. Владивосток: Дальнаука, 2003. 172 с. (shipdesign.ru/Khram/History-II.pdf)
  3. «Корабль, остойчивый в штормовом плавании». Патент № 2 487 043 от 2013.07.10, Бюл. № 19. (shipdesign.ru/Invent/06.html)
  4. «Активный стабилизатор килевой и бортовой качки корабля – штормовой аварийный движитель», патент России № RU 2384457, бюл. № 8 от 20.03.2010 (shipdesign.ru/Invent/04.html)
  5. «Hull» – Построение аналитической формы корпуса корабля, расчеты волнового сопротивления, кривых элементов теоретического чертежа и диаграмм остойчивости морских судов. Программа для ЭВМ, № 2010615849 от 8.09.2010 г. (shipdesign.ru/SoftWare/2010615849.html)
  6. Mr. J. H. Michell on the Wave–Resistance of a Ship. Philosophical Magazine, 1898, vol.45, Ser.5, pp.106–123. (shipdesign.ru/JHM-rus.html)
  7. «Корабль без бортовой качки», патент России № RU 2360827 от 10.07.2009, бюл. № 19 (shipdesign.ru/Invent/01.html);
  8. «China-1275 from Marco Polo's Map with Ship on Pacific Ocean».avi (11,6 Мб, 02:25).
    «Ancient_Arabian_Ship_on_Stormy_Sea».avi (14,7 Мб, 03:03).
    «Океанский спасатель - научно-исследовательское судно».avi (45 Мб, 07:21).
    «Универсальное многоцелевое транспортное судно».avi (51,4 Мб, 08:52).