in English

Обобщение проектных требований к остойчивости и снижение штормовой качки судна Храмушин В.Н., подсекция мореходных качеств судов в штормовых условиях, РосНТО судостроителей им. А.Н. Крылова, Сахалинский государственный университет. V.Khram@GMail.com.

1. ВВЕДЕНИЕ

Морское судно представляется динамически противоречивым объектом, в котором стремление к улучшению какого-либо одного мореходного свойства, обязательно откликнется ослаблением, вплоть до неразрешимых эксплуатационных проблем с мореходностью этого судна в целом.

Так, любое стремление к усилению начальной статической остойчивости обязательно приводит к усилению качки этого судна в штормовом плавании, вплоть до возникновения катастрофических проблем с прочностью корпуса, или, что является чистым парадоксом – возникновению опасности именно опрокидывания судна в результате возникновения сильной резонансной качки или жесткого гидродинамического захвата корпуса судна штормовой волной – брочинга.

Значительные сложности в эксплуатации судов возникают при несоизмеримом завышении надводного борта и запаса плавучести судна, при реализации других несогласованных с мореплавателями требованиях по незаливаемости верхних палуб, в устройстве громоздких спасательных сооружений, которые могут обращаться источником повышенной опасности для мореплавателей.

Рассмотрим некоторые оптимизационные элементы формы корпуса и общекорабельной архитектуры с позиций достижения наилучшей штормовой мореходности судна.

2. МОРСКАЯ ПРОЕКТНАЯ ПРАКТИКА

В концепции непротиворечивого проектирования корабля повышенной штормовой мореходности [3] рассматривается форма корпуса с заостренной крейсерской кормой и малым объемом надводного борта в носовой оконечности корабля, способного к поддержанию активного хода с минимальной килевой качкой в режиме прорезания гребней штормовых волн. Для такого проекта корабля, отличающегося почти вертикальной строевой по ватерлиниям и ослабленным демпфированием вертикальной качки, желательна также и гидростатическая отработка вопросов сохранения остойчивости судна при изменениях осадки в темпе штормовой качки.

Для современных судов с широкой транцевой кормой и большим развалом надводного борта в носовой оконечности, характерно плавание с интенсивной килевой качкой при отслеживании корпусом поверхности штормового моря во избежание заливаемости верхних палуб. В таком режиме существенно гидродинамическое влияние завышенных надводных объемов в оконечностях при посадках корпуса на гребне и над подошвой штормовых трохоидальных волн. Тем не менее, гидростатический подход к рассмотрению данной проблемы не противоречит осуществлению предложенной схемы построения корпуса судна, в том числе в компромиссе с использованием развала борта [4, стр. 137] на уровне конструктивной ватерлинии.

2.1. Особенности гидростатики судна повышенной мореходности

Штормовая гидромеханика судна включает некоторые проектные парадоксы, существенно влияющие на мореходные качества неоптимизированного судна, и, по сути, определяющие возможность или особые режимы всепогодной эксплуатации судна в соответствии с его проектным назначением, и без ущерба для безопасности груза и собственно самого судна.

Некоторые элементы в построении формы корпуса судна хорошо зарекомендовали себя в истории мореплавания, а ныне их использование отчасти ослаблено в угоду технологичности грузообработки, для расширения внутрисудовых помещений, иногда же просто по эстетическим пристрастиям конкретных менеджеров корабельных наук.

Выявление и оптимальное разрешение парадоксов гидромеханики формально предопределяет возможность поиска взаимной компенсации внешних негативных штормовых воздействий на корпус судна с помощью построения специальных обводов. Рассмотрим особенности некоторых элементов формы корпуса судна:

B – ширина корпуса в кубической зависимости увеличивает метацентрический радиус r:

(1)

где: V – водоизмещение; J_X – поперечный момент инерции площади действующей ватерлинии относительно продольной оси x; y – ордината ватерлинии, как ширина корпуса в конкретной точке продольной оси x на уровне действующей ватерлинии WL.

В штормовом плавании внешние силы при наклонах поверхности взволнованного моря обращаются ничем не скомпенсированными моментами остойчивости формы:

(2)

где: g = 1025 кг/м³ – плотность воды, J – угол наклона поверхности моря.

Обратим внимание, что эти силы не сдерживаются реакцией массы корпуса, и достигают наибольших величин у судов с широкой транцевой кормой, и особо опасны для многокорпусных судов, вне прямой зависимости от реальной площади их действующих ватерлиний, так как в расчеты метацентрического радиуса входят кубические ординаты габаритных размерений.

Figure 1. Диаграммы статической остойчивости корабля для пяти штормовых ватерлиний, с аппликатой центра тяжести зафиксированной в метацентре на конструктивной осадке. Естественное устойчивое положение корпуса – «кверху килем»

Figure 2. Метацентрическая высота оптимизированного корабля может безопасно приводиться к нулю на конструктивной осадке, так как положительная остойчивость восстанавливается при любых изменениях посадки в темпе штормовой качки судна. Такой корпус имеет большой запас для поддержания абсолютной остойчивости, достаточной для выхода на ровный киль даже из полного опрокидывания.

Метацентрические проектные предпосылки не противоречат последующим результатам гидростатических расчетов на больших углах крена. Чтобы иметь возможность оценки остойчивости судна как твердого тела в штормовом море, зафиксируем центр тяжести в метацентре для конструктивной осадки.

Для достижения плавности бортовой качки в штормовом плавании судоводитель всегда стремиться уменьшить метацентрическую высоту, приподняв центр масс судна ближе к метацентру (fig. 1), тем самым добиваясь плавности качки за счет подавления внешних сил инерцией массы корпуса, что описывается капитанской формулой для оценки начальной остойчивости:

(3)

где: С » 0,8 [см/м^½] – размерный эмпирический коэффициент с характерным значением для традиционных однокорпусных транспортных судов; z_C – аппликата центра величины; z_g – аппликата центра тяжести.

Если аппликата центра тяжести поднимается много выше ватерлинии, то судно как бы оказывается в качелях интенсивной качки еще и под боковыми ударами штормовых волн.

Контуры шпангоутов в средней части оптимизированного судна (fig. 2) приближены к окружности, что отмечается отношением ширины к осадке (B/T) порядка двух, и, соответственно, аппликата метацентра приводится к уровню действующей ватерлинии, где горизонтальные удары гребней штормовых волн могут быть скомпенсированы (вплоть до приведения внешних сил к обратному действию) в гидростатическом приближении.

Гидростатика килевой качки для удлиненного судна не дает возможности аналогичной взаимной компенсации внешних сил с помощью инерции массы корпуса, слишком велика продольная остойчивость формы в сопоставлении с допустимой прочностью корпуса, и потому обводы могут лишь оптимизироваться для непротивления силовому воздействию штормовых волн, при котором темп килевой качки происходит в режиме простого отслеживания поверхности взволнованного моря.

Это не исключает поиска проектных решений по минимизации внешних сил при комплексном рассмотрении гидромеханики корпуса в условиях интенсивного трохоидального волнения, в котором известны эффективные инженерно-технические решения по минимизации внешних силовых воздействий для существенного снижения килевой и бортовой качки судна, о которых сообщалось на морском форуме STAB-2009 (Khramushin, 2009) в Репино [1].

Здесь же вернемся к уточнению гидростатических оптимизационных решений для конкретных проектов морских судов повышенной штормовой мореходности, определяющих выбор формы корпуса без недочетов в «опасную сторону», что обычно свойственно для проектных выводов на основе простейшей модели с гидростатической постановкой судна на штормовую волну.

3. КОРАБЛЬ, ОСТОЙЧИВЫЙ В ШТОРМОВОМ ПЛАВАНИИ

Ожидаемый технический результат представляется в виде водоизмещающего корабля с относительно большой осадкой, заостренными оконечностями и запасом плавучести для надводного плавания, сосредоточенным в средней части корпуса, отличающийся тем, что на конструктивной осадке метацентрическая высота (начальная остойчивость) минимальна, и возрастает при любом изменении посадки в процессе всплытия и погружения корпуса в условиях вертикальной качки на штормовом волнении, что достигается за счет специальных обводов в полосе переменных ватерлиний.

Переходя к рассмотрению формы корпуса и общекорабельной архитектуры конкретных морских судов, ограничимся способами построения судовых обводов лишь в средней части корпуса, что достаточно для поддержания гидростатических условий безусловно положительной начальной остойчивости при интенсивной вертикальной качке в условиях штормового волнения.

3.1 Метацентрический анализ остойчивости при изменении осадки судна

Оценка остойчивости корпуса корабля с вертикальными бортами характеризуется величиной метацентрической высоты h, на изменение которой при вертикальной качке сказывается смещение центра величины z_C, отчасти компенсируемое обратной зависимостью синхронно меняющегося объемного водоизмещения V. Зафиксируем также положение центра тяжести и допустим условно неизменной величину поперечного (относительно продольной оси x) момента инерции площади действующей ватерлинии J_x :

h = zM – zg = r + zC – zg = Jx/V + zC – zg ,

(4)

где: z_M – аппликата метацентра; z_g – фиксированная аппликата центра масс корабля; r – поперечный метацентрический радиус.

Все величины в выражении (4), кроме z_g, представляются интегральными характеристиками формы судовых обводов и функционально связаны с посадкой корпуса, что отражается на кривых элементов теоретического чертежа (fig. 3, 4 – справа).

В случае судовых обводов с вертикальными бортами в средней части корпуса, искомый экстремум минимума аппликаты метацентра z_M приходится на осадку Т приблизительно в три раза меньшую ширины корпуса В. Соответственно, для судовых обводов с отношением ширины к осадке больше трех (B/T > 3), минимум аппликаты метацентра z_M(z) достигается при развале бортов за счет быстрого роста J_X(z) на метацентрической диаграмме (fig. 3, 4 – справа). Штормовое плавание такого судна сопровождается резкой килевой и бортовой качкой при интенсивном гидродинамическом влиянии на корпус корабля штормовых волн, силовое воздействие которых может превалировать на фоне положительных гидростатических эффектов, тем не менее, сохраняющего полезное влияние на минимизацию качки и достижение безопасности штормового мореплавания.

Судно повышенной штормовой мореходности, имеющее отношение ширины корпуса к осадке приблизительно равное или меньшее двух (B/T @ или £ 2), обретает искомый минимум остойчивости на конструктивной ватерлинии при устройстве завала бортов в средней части корпуса, способствующего росту аппликаты метацентра z_M(z) за счет увеличения момента инерции площади ватерлинии J_X(z) при всплытии корпуса, и не подавляющем естественного прироста высоты метацентра z_M(z) при естественном увеличении аппликаты центра величины z_С(z) в фазе погружения корпуса при вертикальной качке на штормовом волнении.

Судовые обводы с округлыми шпангоутами в средней части корпуса ослабляют эффект повышения остойчивости при изменении осадки (fig. 3), и потому значимым становится более строгий контроль поддержания безусловно положительной остойчивости корабля в штормовом плавании с помощью построения специальных обводов корпуса в полосе переменных ватерлиний. Максимальный эффект повышения остойчивости при штормовом изменении посадки достигается в случае использования вогнутых на уровне действующей ватерлинии шпангоутных контуров (fig. 4).

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Безусловная остойчивость в условиях штормового плавания обеспечивается формой обводов корпуса в полосе переменных ватерлиний. Эффект достигается для различных вариантов судовых обводов: в меньшей степени для корпусов с округлыми шпангоутами (fig. 3); в наибольшей – с вогнутыми контурами шпангоутов на уровне конструктивной ватерлинии (fig. 4).

Количественная характеристика формы (fig. 3, 4 – справа) связана с условием взаимной компенсации изменений момента объема корпуса z_C•V относительно основной линии за счет момента инерции площади действующей ватерлинии J_X. Геометрически это сводится к оптимизации величины наклона борта в средней части корпуса на уровне конструктивной ватерлинии, численное решение которой реализовано в программе для ЭВМ – Hull, № Г/р 2010615849.

Figure 3. Проекция корпус теоретического чертежа и гидростатические расчеты для спасательного судна, способного в штормовых условиях активно маневрировать произвольными курсами на малых ходах вблизи спасаемого судна или морского инженерного сооружения
 

Figure 4. Тоже для универсального транспортного судна, способного к штормовому плаванию произвольным курсом с минимальной килевой и бортовой качкой в условиях интенсивного морского волнения.

На диаграммах статической остойчивости (fig. 3, 4 – слева внизу), построенных для различных посадок корпуса при фиксированной аппликате центра масс, график с нулевой метацентрической высотой (5) соответствует конструктивной осадке, другие графики (3,4 и 6,7) – показывают восстановление положительной начальной остойчивости при всплытии и погружении корпуса на уровень соответствующих ватерлиний.

На графиках слева внизу приведены диаграммы остойчивости, где кривая 5 соответствует конструктивной осадке, кривые 6 и 7 – погружению корпуса на соответствующие ватерлинии, отмеченные на теоретическом чертеже выше, кривые 4, 3 и 2 – соответственно всплытию корпуса. Все расчеты выполнены для фиксированного положения аппликаты центра масс z_g , приведенного точно к метацентру на конструктивной осадке, где начальная остойчивость становится равной нулю (h_KWL = 0).

На графиках справа приведены кривые элементов теоретического чертежа в функции от осадки по корпусу судна, изображенного слева. Ниже графиков приведены шкалы с отсчетами гидростатических величин.

Расчеты выполнены с использованием программного комплекса Hull [5].

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе показаны основные пути для начальной оптимизации элементов формы корпуса корабля на основе гидростатических расчетов, обеспечивающих вполне достоверные количественные оценки для принимаемых инженерных решений. Гидростатические оценки штормовой мореходности применимы для всех классов кораблей и судов, и в том числе должны включаться в наставления мореплавателям для действующих судов и береговых служб наблюдения за флотом, что может способствовать повышению эффективности и разумной смелости судовождения в сложных штормовых и ледовых условиях. В проектировании судов гидростатические оценки мореходности представляются базовым уровнем для последующей проектной оптимизации корабля с глубокой отработкой всех процессов гидроаэромеханики взаимодействия корабля со штормовыми волнами и ураганным ветром.

5.1. Литература

1. Krolenko Sergey, Khramushin Vasily. Key Design Solutions and Specifics of Operation in Heavy Weather (Fluid Mechanics Approach to Stabilization of Ship in Heavy Seas) = Ключевые проектные решения в кораблестроении и особенности штормового кораблевождения (Поисковые решения и инженерные подходы в целевом проектировании и гидродинамической оптимизации формы корпуса и общекорабельной архитектуры всепогодного океанского корабля) // Proceedings. 10th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles. STAB-2009, June 22-26, 2009. S-Petersburg, Russia. P. 473-482.

2. Корабль, остойчивый в штормовом плавании. Заявка на изобретение ⁽¹⁹⁾RU⁽¹¹⁾ 2011129192 от 12.07.2011. СахГУ.

3. Храмушин В. Н. Поисковые исследования штормовой мореходности корабля. Владивосток: Дальнаука, 2003. – 172 с.

4. Статика корабля. Р. В. Борисов, В. В. Луговский, Б. В. Мирохин, В. В. Рождественский. СПб.: Судостроение, 2005. – 256 с.

5. Храмушин В. Н. «Hull» – Построение аналитической формы корпуса корабля, расчеты волнового сопротивления, кривых элементов теоретического чертежа и диаграмм остойчивости морских судов. № 2010615849, 8.9.2010 г. http://www.shipdesign.ru/SoftWare/2010615849.html

5.2. Разные оговорки

Судовые обводы с минимальной остойчивостью на конструктивной осадке способствуют уменьшению внешнего динамического воздействия короткопериодных штормовых волн, однако для поддержания положительной остойчивости в условиях вертикальной качки требуется построение особых обводов корпуса в полосе переменных ватерлиний, омываемых штормовыми волнами.