НАЧАЛЬНАЯ ОСТОЙЧИВОСТЬ ЛЕГКИХ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ГИБКИМ ОГРАЖДЕНИЕМ БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА
Авторы:
1.
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
2.
Конструкторская группа ЗАО «Н Ситек»
3.
Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева
4.
ООО «Судостроительная компания «Аэроход»
Тип:
Статья
Страницы:
с 59
по 64
Статус:
Опубликован
Получено:
20.02.2015
Одобрено:
25.02.2015
Опубликовано:
25.02.2015
Классификаторы:
УДК 629.5.015.141:629.57
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
амфибийное судно, баллонеты, воздушная подушка, гибкое ограждение, начальная остойчивость, метацентрическая высота, центр тяжести
Аннотация (русский):
Известные методы расчета остойчивости судов на воздушной подушке отличаются громоздкостью и недостаточной точностью, вследствие чего их применение для практических расчетов затруднительно. В предлагаемом методе расчета амфибийного судна на воздушной подушке (АСВП) с гибким ограждением (ГО) баллонетного типа используется классическая теория остойчивости, основанная на теории Эйлера о равнообъемных наклонениях. Выводы основаны на известном способе учета влияния свободной поверхности жидкости на остойчивость. Показано, что при превышении ширины конструктивной ватерлинии над шириной свободной поверхности во впадине под воздушной подушкой метацентрический радиус будет иметь положительное значение. Принят ряд допущений для расчетной схемы судна: баллоны ГО имеют круговую форму; не учитывается воздушный зазор между баллоном ГО и поверхностью воды при истечении воздуха. Рассматривается плоская задача, где длина судна в продольном направлении равна 1. Получены расчетные формулы для определения начального метацентрического радиуса. Поскольку непосредственный анализ полученных зависимостей весьма сложен, последние переведены в безразмерный вид. На основе результатов расчетов построен график зависимости начального метацентрического радиуса от относительного радиуса баллонов нижнего яруса и относительного расстояния между баллонами. Дан пример использования результатов для оценки начальной остойчивости реального АСВП с ГО баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек»). Анализ показал, что центр тяжести судна может занимать достаточно высокое положение и располагается значительно ниже, что способствует противостоянию динамическому кренящему моменту.
Известные методы расчета остойчивости судов на воздушной подушке отличаются громоздкостью и недостаточной точностью, вследствие чего их применение для практических расчетов затруднительно. В предлагаемом методе расчета амфибийного судна на воздушной подушке (АСВП) с гибким ограждением (ГО) баллонетного типа используется классическая теория остойчивости, основанная на теории Эйлера о равнообъемных наклонениях. Выводы основаны на известном способе учета влияния свободной поверхности жидкости на остойчивость. Показано, что при превышении ширины конструктивной ватерлинии над шириной свободной поверхности во впадине под воздушной подушкой метацентрический радиус будет иметь положительное значение. Принят ряд допущений для расчетной схемы судна: баллоны ГО имеют круговую форму; не учитывается воздушный зазор между баллоном ГО и поверхностью воды при истечении воздуха. Рассматривается плоская задача, где длина судна в продольном направлении равна 1. Получены расчетные формулы для определения начального метацентрического радиуса. Поскольку непосредственный анализ полученных зависимостей весьма сложен, последние переведены в безразмерный вид. На основе результатов расчетов построен график зависимости начального метацентрического радиуса от относительного радиуса баллонов нижнего яруса и относительного расстояния между баллонами. Дан пример использования результатов для оценки начальной остойчивости реального АСВП с ГО баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек»). Анализ показал, что центр тяжести судна может занимать достаточно высокое положение и располагается значительно ниже, что способствует противостоянию динамическому кренящему моменту.
Ключевые слова:
амфибийное судно, баллонеты, воздушная подушка, гибкое ограждение, начальная остойчивость, метацентрическая высота, центр тяжести
амфибийное судно, баллонеты, воздушная подушка, гибкое ограждение, начальная остойчивость, метацентрическая высота, центр тяжести
Введение Остойчивость амфибийного судна в режиме парения на подушке является сложным процессом, а известные методы расчета остойчивости [1, 2] отличаются громоздкостью и плохо подходят для анализа. Методы расчета остойчивости скеговых судов на воздушной подушке (СВП) основаны на использовании грузового размера скега с вычислением восстанавливающего момента от сил плавучести на погружаемом скеге [2]. Такой подход вместе со сложностью расчета не учитывает изменение формы погружаемой части СВП и появление дополнительного восстанавливающего момента. В целом сложилось мнение [3-5], что камерные амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) без ресивера и сопловой схемы не обладают остойчивостью. Применение таких судов в качестве ледоколов на ВП [4] показало наличие у них положительной остойчивости, однако метод расчета также был громоздким и недостаточно точным. Теоретические основы оценки остойчивости камерных СВП Прогресс в теоретических способах решения задачи остойчивости был основан на теории Эйлера о равнообъемных ватерлиниях с учетом свободной поверхности воды во впадине под ВП [6] (рис. 1). На рис. 1 показаны ватерлинии на поверхности воды и под СВП при наличии развала гибкого ограждения (ГО) в соответствии с формулой Эйлера для метацентрического радиуса. , где Jх квл - момент инерции площади действующей ватерлинии (конструктивная ватерлиния (КВЛ) при парении на подушке) относительно оси Х, перпендикулярной плоскости чертежа; Jх вп - момент инерции площади свободной поверхности во впадине; V - водоизмещение судна. Рис. 1. Схема камерного СВП в режиме парения на воде с пренебрежимо малым расходом воздуха из ВП: 1 - жесткий корпус; 2 - гибкое ограждение Считая длину судна единичной Lквл = Lвп = 1, V = [(Вквл + Ввп)hвп]/2; Jквл = ; Jвп = , получим , откуда следует, что метацентрический радиус в данном случае определяется разностью между шириной свободной поверхности под ВП и шириной действующей КВЛ. Таким образом, при превышении ширины КВЛ над шириной свободной поверхности во впадине под ВП метацентрический радиус будет иметь положительное значение. Зависимости для определения начальной остойчивости АСВП баллонетного типа Исходя из этих соображений, рассмотрим поперечное сечение АСВП с ГО баллонетного типа. Принят следующий ряд допущений для уменьшения громоздкости расчетов судна: - баллоны имеют круговую форму (в действительности нижний ярус баллонов может терять эту форму при регулировании давления в баллоне); - не учитывается воздушный зазор при истечении воздуха из ГО; - рассматривается плоская задача, где длина судна в продольном направлении равна 1. Упрощенная форма поперечного сечения показана на рис. 2. Нижний ярус баллонов-скегов АСВП погружен в воду на глубину (осадку) hвп. Ширина свободной поверхности на дне воздушной впадины Ввп равна расстоянию между центрами скегов В1. Ширина КВЛ связана с радиусом баллона R1, шириной В1 и шириной сегмента [7]: аск = , определяемым в зависимости от глубины hвп: . Водоизмещение впадины L = 1 определяется с помощью зависимости V1 = hвп · B1 + Sск, где площадь кругового сегмента [7] погруженной части скега (погрешность 3 %). Рис. 2. Схема для оценки начальной остойчивости АСВП с ГО баллонетного типа В соответствии с формулой (1), поперечный начальный метацентрический радиус будет иметь следующее выражение: . (2) Непосредственный анализ этой зависимости затруднен ее громоздкостью, поэтому приведем ее к безразмерному виду, взяв за определяющий линейный параметр глубину впадины под СВП hвп (осадка в режиме парения на подушке). Обозначая: ; ; , перепишем формулу (2): . (3) Очевидно, что начальный метацентрический радиус будет равен нулю при , а максимум будет соответствовать . Наиболее интересна связь между геометрическими параметрами, изображенными на рис. 2, и значением начальной поперечной метацентрической высоты h0 = rm0 + zc - zg, где zc - аппликата центра величины; zg - аппликата центра тяжести судна. Положительное значение h0 будет обеспечиваться соотношением между rm0 и zg, поскольку величина zc на практике значительно меньше zg, поэтому приближенно можно считать, что закритическое (с позиций начальной остойчивости) положение центра тяжести судна определяется как rm0 > zg . Таким образом, выражение (3) связывает вместе необходимое положение центра тяжести zg, радиус баллона первого яруса R1, ширину судна Вквл и глубину впадины под ВП hвп, численно равную давлению воздуха в ВП, м вод. ст. Эта связь для безразмерных аргументов и показана линиями уровня (рис. 3). Рис. 3. Зависимость безразмерного начального метацентрического радиуса от относительного радиуса баллона первого яруса и относительного расстояния между баллонами В качестве примера была произведена оценка начальной остойчивости реального АСВП с ГО баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек» [8]). Это судно имеет ширину В1 = 3,1 м, радиус баллона R1 = 0,12 м, давление в ВП - 0,98 кПа (hвп = 0,1 м вод. ст.). Относительные значения аргументов = 31; = 1,4, на пересечении этих значений на графике находим = 30. Переводя в размерное значение, получим rm0 = hвп = 30 ∙ 0,1 м = 3,0 м. Заключение Таким образом, для АСВП, характеристики которого близки к реальным, центр тяжести судна может занимать достаточно высокое положение - zg < 3,0 м. Фактически центр тяжести этого судна находится на уровне zg ≈ 1,4 м, начальная метацентрическая высота составит h0 ≈ 1,4 м, что будет способствовать противостоянию динамическому кренящему моменту. Однако окончательное решение этого вопроса может быть получено при рассмотрении остойчивости на больших углах крена.
1. Колызаев Б. А. Особенности проектирования судов с новыми принципами поддержания / Б. А. Колызаев, А. И. Косоруков, В. А. Литвиненко, Г. И. Попов. Л.: Судостроение, 1974. 324 с.
2. Смирнов С. А. Суда на воздушной подушке скегового типа / С. А. Смирнов. Л.: Судостроение, 1983. 216 с.
3. Ваганов А. М. Проектирование скоростных судов / А. М. Ваганов. Л.: Судостроение, 1978. 279 с.
4. Зуев В. А. Некоторые вопросы проектирования ледокольных приставок на воздушной подушке / В. А. Зуев, Ю. А. Двойченко, С. Г. Мохонько, Г. М. Перелыгина, А. В. Саватеев // Теория и прочность ледокольного корабля. Горьков. политехн. ин-т им. А. А. Жданова, 1982. С. 41-48.
5. Yun L. Theory and design air cushion craft / L.Yun, A. Bliault. London: Arnold Publ., 2000. 647 p.
6. Семенов-Тянь-Шанский В. В. Статика и динамика корабля / В. В. Семенов-Тянь-Шанский // Теория плавучести, остойчивости и спуска. Л.: Судпромгиз, 1960. 576 с.
7. Бронштейн И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов / И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев. М.: Наука, 1980. 975 с.
8. URL: www.nsitek.ru (дата обращения: 10.07.2014).
