Активные успокоители качки. Методы и средства уменьшения качки судна при бурении на шельфе. Боковые управляемые рули
Для гашения колебаний транспортных объектов и в некоторых других специальных случаях находят применение динамические гасители, основанные на использовании гироскопов . Эквивалентное действие подобных систем аналогично работе пружинного гасителя с трением, хотя устройство и принцип функционирования различные.
В качестве примера на рис. 24 приведена схема успокоителя бортовой качки судов. Ротор гироскопа 1 смонтирован в кожухе 2, который может качаться относительно судна вокруг оси 3, перпендикулярной продольной оси корабля. При этом центр тяжести кожуха располагается ниже оси качаний на расстоянии Колебания кожуха демпфируются с помощью тормозного барабана 4. Масса ротора гироскопа составляет обычно массы судна. С помощью двигателя ротор приводится во вращение с максимально допустимой угловой скоростью
Рис. 24. Гироскопический успокоитель бортовой качки с тормозным барабаном: 1 - ротор; 2 - кожух; 3 - ось кожуха; 4 - тормозной барабан
Обозначая момент инерции ротора через и считая ротор вращающимся протичасовой стрелки (если смотреть на него сверху), устанавливаем, с учетом свойств гироскопа, что при повороте корабля вокруг продольной оси вправо (при виде с кормы) с угловой скоростью кожух гироскопа начнет отклоняться к корме с угловой скоростью угол поворота кожуха) в результате действия момента сил, равного При этом реактивный момент, противодействующий бортовой качке, будет равным Обозначая момент инерции судна относительно продольной оси; момент инерции кожуха относительно поперечной оси 3; вес кожуха, запишем систему дифференциальных уравнений для малых колебаний в виде
Коэффициент характеризует вязкое трение в барабане; с - остойчивость судна; момент внешних сил, определяемый волнением моря.
Полагая и отыскивая решение системы уравнений (34) в виде (17), после преобразований получим следующее выражение, характеризующее амплитуду бортовой качки, аналогичное (4):
Таким образом, анализ, проведенный в параграфе 5, полностью распространяется на рассматриваемый случай. Учитывая переменную частоту волнения моря, заключаем, что описываемая гироскопическая система может эффективно функционировать лишь при рациональном выборе демпфирования в тормозном барабане 4. Оптимальный коэффициент демпфирования определяется (32), где и выражаются через параметры системы в соответствии с (35).
Наряду с рассмотренной схемой для гашения бортовой качки нашла применение гироскопическая система с обратной связью . Кожух 2 исполнительного гироскопа (рис, 25, а) установлен концентрично относительно оси 3 прецессии,
Повороты кожуха осуществляются серводвигателем 4 через передачу 5, приводимым с помощью сигналов малого направляющего гироскопа (рис. 25, б). Последний уста новлен аналогично исполнительному гироскопу и представляет собой его сильно уменьшенную копию. При бортовой качке в результате поворота кожуха направляющего гироскопа замыкаются соответствующие контакты реле, включающего серводвигатель. В результате кожух исполнительного гироскопа поворачивается таким образом, что возникающий реактивный момент, действующий на опоры кожуха, противодействует качке.
Рис. 25. Гироскопический успокоитель (а) бортовой качки с направляющим гироскопом (б): 1 - ротор; 2 - кожух: 3 - ось кожуха; 4 - серводвигатель; 5 - зубчатая передача
В некоторых случаях для борьбы с качкой применяли динамические гасители, выполненные в виде цистерн, расположенных по бортам частично заполненных жидкостью и соединенных трубопроводом для ее свободного перетекания, либо снабженных специальными насосами для принудительного перекачивания жидкости, управляемыми направляющим гироскопом.
В большинстве современных судов для подавления бортовой качки используют устройства, основанные на применении управляемых или неподвижных крыльев, меняющих угол атаки при крене таким образом, чтобы возникающая подъемная сила при их обтекании водой противодействовала качке. В отличие от гироскопических успокоителей эти устройства осуществляют стабилизацию лишь при движении судна.
специальные устройства, устанавливаемые на судах для умерения качки. Применяются свыше 100 лет и весьма разнообразны по принципу действия и конструкции. Успокоители качки классифицируют по направлению действия стабилизирующего момента, по природе сил, создающих этот момент, по принципу управления. По 1-му признаку различают успокоители бортовой и продольной качки судна. Первые получили весьма широкое распространение. По 2-му признаку успокоители качки разбивают на 3 типа: гравитационные, гироскопические и гидродинамические. У гравитационных успокоителей качки стабилизирующий момент создается перемещением внутри судна твердого тела или жидкости. В последнем случае успокоители качки выполняются в виде успокоительных цистерн разных типов. Наиболее часто применяются закрытые цистерны, состоящие из 2 бортовых секций, соединенных водыми и воздушными каналами. За рубежом широкое распространение получили цистерны типа "Флюм", характерной особенностью которых является соединительный канал, имеющий ту же высоту, что и бортовые секции. Если водный и воздушный каналы отсутствуют, а бортовые ветви сообщаются между собой через забортную воду и атмосферу, цистерны называются открытыми. Гироскопический успокоитель качки состоит из тяжелого диска (гироскопа), вращающегося с большой скоростью вокруг оси, соединенной с рамой. Ось качаний рамы расположена горизонтально в поперечной плоскости судна и специальными цапфами соединена с его корпусом. При качке судна и вращении гироскопа возникает сложное движение рамы - прецессия, приводящая к появлению в цапфах реакций, создающих стабилизирующий момент. В настоящее время успокоители качки этого типа используются только для местной стабилизации различных установок на судах. Гидродинамические успокоители качки представляют собой специальные выступающие части (пластины или крылья), устанавливаемые на корпусе судна. Для успокоения бортовой качки применяются скуловые кили и бортовые управляемые рули. Последние могут быть неразрезными и разрезными, неубирающимися, втягивающимися внутрь судна, заваливающимися вдоль корпуса. Скуловые кили создают стабилизирующий момент за счет разности давлений на верхних и нижних поверхностях при обтекании киля в поперечной плоскости, а бортовые рули - благодаря возникающей на них подъемной силе, пропорциональной квадрату скорости судна. Поэтому бортовые рули непригодны для судов, требующих умерения качки в дрейфе или при малых скоростях движения, тогда как скуловые кили в этих условиях обладают максимальной эффективностью. Гидродинамичные успокоители качки в виде носовых неподвижных килей или крыльев могут использоваться и для умерения продольной качки, но они не получили широкого распространения из-за сравнительно невысокой эффективности и возникающей при их установке вибрации носовой оконечности судна. По 3-му признаку успокоители качки делятся на активные, пассивные и частично активизированные. Первые снабжены приводом, обеспечивающим принудительное изменение стабилизирующего момента в соответствии с сигналом, вырабатываемым специальной системой управления. К этому типу относятся бортовые управляемые рули. Активные успокоительные цистерны на современных судах не применяются, т. к. принудительная перекачка жидкости требует слишком больших энергетических затрат. Пассивные успокоители качки не имеют приводов и систем управления; к ним относятся скуловые кили, носовые кили и крылья, а также большая часть успокоительных цистерн. Применяются и частично активизированные цистерны, управляемые специальными клапанами, перекрывающими водный и воздушный каналы.Успокоителями качки принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна.
Действие установленных на судне успокоителей качки состоит в том, что они создают переменный стабилизирующий момент, противоположный по знаку возмущающему моменту волны. В настоящее время применяются успокоители только бортовой качки. Уменьшить амплитуды килевой и вертикальной качки с помощью успокоителей практически трудно, т.к. еще не созданы успокоители, способные развивать значительно большие, чем при бортовой качке, стабилизирующие моменты.
Успокоители качки делятся на пассивные и активные. Действие рабочих органов пассивных успокоителей основано на создании стабилизирующего момента за счет колебательных движений судна во время качки, т.е. при их использовании отпадает необходимость в специальных источниках энергии. В активных успокоителях переменный стабилизирующий момент создается принудительно с помощью особых механизмов, управляемых специальным регулирующим устройством, которое, в свою очередь, реагирует на колебания судна. Активные успокоители более эффективны, но на их работу нужно затрачивать дополнительную мощность.
Пассивные успокоители. К числу пассивных успокоителей качки относятся скуловые кили и пассивные успокоительные цистерны.
Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение.
Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого, не сообщающегося с забортной водой (I рода) и открытого, сообщающегося с забортной водой (II рода). Цистерны наполовину заполнены водой (иногда, топливом) и соединены каналами. Пассивные успокоительные цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При некоторых условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время практически не используются.
Активные успокоители. К активным успокоителям качки относятся бортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и гироскопические успокоители-стабилизаторы.
Бортовые управляемые рули являются весьма эффективным средством уменьшения бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и особенно на пассажирских судах. Они размещены на специальных приводах, обеспечивающих изменение углов атаки по определенному закону, выдвижение их из корпуса и уборку внутрь корпуса.
Практика показывает, что бортовые рули целесообразно применять при скоростях, превышающих 10-15 узл. В этом случае бортовые рули приводят к значительному (в несколько раз) снижению амплитуд бортовой качки.
Активные успокоительные цистерны обычно выполняют в виде цистерн I рода. Для регулирования движения воды применяют либо насосы, установленные в водяном канале, либо воздуходувы, расположенные в воздушном канале. Управление насосом или воздуходувкой осуществляется с помощью специальной автоматики таким образом, чтобы можно было регулировать подачу воды из одной цистерны в другую и обеспечивать требуемое изменение стабилизирующего момента. Эффективность установки не зависит от скорости судна: цистерны одинаково умеряют качку на ходу и на стоянке. Недостатки активных цистерн: сложность конструкции, высокая стоимость, применение сложной регулирующей аппаратуры, снижение грузоподъемности судна необходимость затрат дополнительной энергии.
Гироскопический успокоитель качки представляет собой мощный гироскоп, вращающийся на оси в раме. Гироскоп устанавливают вертикально. Крен судна при бортовой качке вызывает поворот оси гироскопа - так называемую прецессию гироскопа. Вследствие этого возникает гироскопический момент, который является стабилизирующим моментом успокоителя. Гироскопические успокоители могут быть как пассивными, так и активными. У пассивного успокоителя прецессия возникает как реакция на качку судна. В активных успокоителях прецессия создается принудительно за счет передачи внешней энергии электродвигателю, управляемому автоматическим регулятором, реагирующим на режим качки судна. Недостатки: значительная масса, большая стоимость, сложность устройства и эксплуатации.
Успокоителями качки
принято называть устройства, которые применяются для уменьшения амплитуды качки судна.
Действие установленных на судне успокоителей качки состоит в том, что они создают переменный стабилизирующий момент, противоположный по знаку возмущающему моменту волны. В настоящее время применяются успокоители только бортовой качки. Уменьшить амплитуды килевой и вертикальной качки с помощью успокоителей практически трудно, т.к. еще не созданы успокоители, способные развивать значительно большие, чем при бортовой качке, стабилизирующие моменты.
Успокоители качки делятся на пассивные и активные. Действие рабочих органов пассивных успокоителей основано на создании стабилизирующего момента за счет колебательных движений судна во время качки, т.е. при их использовании отпадает необходимость в специальных источниках энергии. В активных успокоителях переменный стабилизирующий момент создается принудительно с помощью особых механизмов, управляемых специальным регулирующим устройством, которое, в свою очередь, реагирует на колебания судна. Активные успокоители более эффективны, но на их работу нужно затрачивать дополнительную мощность.
Пассивные успокоители
. К числу пассивных успокоителей качки относятся скуловые кили и пассивные успокоительные цистерны.
Скуловые кили являются наиболее простым и эффективным средством уменьшения бортовой качки и потому находят самое широкое применение.
Пассивные успокоительные цистерны могут быть двух типов: закрытого, не сообщающегося с забортной водой (I рода) и открытого, сообщающегося с забортной водой (II рода). Цистерны наполовину заполнены водой (иногда, топливом) и соединены каналами. Пассивные успокоительные цистерны наиболее эффективны при резонансной качке. При некоторых условиях и режимах нерегулярного волнения такие успокоители могут привести к увеличению амплитуд качки. Наличие свободной поверхности жидкости в цистернах также неблагоприятно влияет на остойчивость судна. Вследствие указанных причин пассивные цистерны в настоящее время практически не используются.
Активные успокоители
. К активным успокоителям качки относятся бортовые управляемые рули, активные успокоительные цистерны и гироскопические успокоители-стабилизаторы.
Бортовые управляемые рули являются весьма эффективным средством уменьшения бортовой качки и получили широкое распространение на транспортных и особенно на пассажирских судах. Они размещены на специальных приводах, обеспечивающих изменение углов атаки по определенному закону, выдвижение их из корпуса и уборку внутрь корпуса.
Практика показывает, что бортовые рули целесообразно применять при скоростях, превышающих 10-15 узл. В этом случае бортовые рули приводят к значительному (в несколько раз) снижению амплитуд бортовой качки.
Активные успокоительные цистерны обычно выполняют в виде цистерн I рода. Для регулирования движения воды применяют либо насосы, установленные в водяном канале, либо воздуходувы, расположенные в воздушном канале. Управление насосом или воздуходувкой осуществляется с помощью специальной автоматики таким образом, чтобы можно было регулировать подачу воды из одной цистерны в другую и обеспечивать требуемое изменение стабилизирующего момента. Эффективность установки не зависит от скорости судна: цистерны одинаково умеряют качку на ходу и на стоянке. Недостатки активных цистерн: сложность конструкции, высокая стоимость, применение сложной регулирующей аппаратуры, снижение грузоподъемности судна необходимость затрат дополнительной энергии.
Гироскопический успокоитель
качки представляет собой мощный гироскоп, вращающийся на оси в раме. Гироскоп устанавливают вертикально. Крен судна при бортовой качке вызывает поворот оси гироскопа – так называемую прецессию гироскопа. Вследствие этого возникает гироскопический момент, который является стабилизирующим моментом успокоителя. Гироскопические успокоители могут быть как пассивными, так и активными. У пассивного успокоителя прецессия возникает как реакция на качку судна. В активных успокоителях прецессия создается принудительно за счет передачи внешней энергии электродвигателю, управляемому автоматическим регулятором, реагирующим на режим качки судна. Недостатки: значительная масса, большая стоимость, сложность устройства и эксплуатации.
Союз Советских
Социалистических
Республик
®оесекр „ „
Жф т.к ° ч т та о хиичесзее е.ч ", „ ц
Зависимый от патента ¹â€”
Кл. 65а-", 57
Заявлено 18.1V.1969 (№ 1322267!27-! 1)
Приоритет 19.1V.1968, № 722, 642, CIIIA.
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров
СССР,1IIIK В 63Ь 39,0
3 ДК 629.12:532.5.041 0 . 1. .52 (088.8) Иностранец
Франс Виктор Антониус Пангалила (Нидерланды) Автор изобретения
Иностранная фирма
«Флюм Стабилизейшн Системс, Инк.» (Соединенные Штаты Америки) Заявитель
УСПОКОИТЕЛЬ БОРТОВОЙ КАЧКИ
Изобретение относится к судостроению, в частности, к успокоителям бортовой качки судов.
Известны успокоители бортовой качки, содержащие цистерну со свободной поверхностью жидкости и насос для заполнения и опорожнения цистерны.
Предложенный успокоитель бортовой качки отличается тем, что в цистерну помещен дифференциальный датчик давления, связанный с ф азовым уравнителем, получающим сигналы от датчика качки, и связанный с насосом через регулятор уровня жидкости в цистерне.
Это повышает его эффективность путем взаиимосвязи фазы колебания судна с фазой колебания уровня жидкости в цистерне при различном состоянии моря.
На фиг. 1 показана блок-схема описываемого успокоителя бортовой качки; на фиг, 2— кривые частотных характеристик судна при различных видах стабилизации.
Успокоитель включает в себя успокоительную цистерну 1 со свободной поверхностью.
Цистерна установлена на судне и расположена перпендикулярно диаметральной плоскости судна. Цистерна частично заполнена рабочей жидкостью так, что колебания жидкости в цистерне настраиваются на частоту бортовой качки судна и имеют по отношению к ней запаздывание по фазе на 90 . Рабочая жидкость может подаваться из бортовой резервной цистерны 2. Реверсивный насос 8 предназначен для подачи или откачивания рабочей >кидкости в цистерну 1 или из нее. Если в качест5 ве рабочей жидкости используется морскач вода, то трубопровод насоса связан с заборной водой.
Датчик 4 помещ ается внутри цистерны 1, воспринимая колебание уровня жидкости и
10 вырабатывая электрический сигнал, который поступает к фазовому уравнителю 5, воспринимающему также сигналы от датчика 6 бортовой качки. Уравнитель 5 настраивает свои выходной сигнал к устройству 7 управления
15 насосом, вырабатывающему сигналы 8 при сдвиге фаз за предусмотренные пределы. Датчик 4 выполнен в виде устройства, реагирующего на разность давлений рабочей жидкости, создаваемую при качке левого и правого
20 борта цистерны 1. При этом сигналы и датчику поступают по трубам 9 и 10, расположенным соответственно с правого и левого бортов цистерны ниже поверхности жидкости.
В качестве ф азового уравнителя можно Нс25 пользовать фазовый детектор, который вырабатывает сигнал постоянного тока в соответствии со сдвигом фаз выходных сигналов.
Датчиком бортовой качки хтожет быть ооычный гироскоп.
30 Устройство 7 управления насосом хто>кет включать в себя обычную аппаратуру для приема изменяющихся сигналов постоянного тока.
Во время работы системы командный сигнал 8 выдается в диапазоне 70 — 110 . При угле, равном или меньшем 70, устройство 7 подает импульс к насосу 8 на выкачивание жидкости. IBcoc pаоотает до тех пор, пока угол бортовой качки не достигнет угла отставания по фазе 85". Затем насос отключается.
Аналогично осуществляется наполнение цистерны жидкостью, когда колеоания в цистерне отстают от колебаний судна на 110 или больший угол. Наполнение продолжается до снижения отставания по фазе 90 . Таким образом, заполнение или опорожнение цистерны будет происходить только тогда, когда будет превышен запрограммированный предел допустимых углов сдвига фаз 70 — 110 . Наполнение и опорожнение продолжается, пока угол отставания фазы не попадет в интервал 85 — 90 .
Когда индикаторные лампочки 11 показывают, что уровень жидкости слишком низок или высок для правильного соотношения фаз, то регулирование производят вручную регулятором 12.
Кривая Л частотной характеристики относится к случаю неуравновешенного судна, а кривая Б — к случаю уравновешивания успокоителем качки с цистерной со свободной по5 верхностью при устойчивом уровне рабочей среды, отрегулированном на резонанс с естественной частотой бортовой качки. Кривая В относится к случаю с успокоительной цистер,ной, соответствующей кривой Б с использова10 нием принципа настоящего изобретения, искгночающей нестабильность в экстремальных точках частотного диапазона.
Предмет изобретения
15 Успокоитель бортовой качки, содержащий цистерну со свободной поверхностью жидкости и насос для заполнения или опорожнения иистерны, отличающийся тем, что, с целью повышения его эффективноети путем взаимосвя20 зи фазы колебания судна с фазой колебания уровня жидкости в цистерне при различном состоянии моря, в цистерну помещен дифференциальный датчик давления, связанный с фазовым уравнителем, получающим сигналы
