РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ, НАПРАВЛЕННЫХ НА ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ ЗАХВАТА ВОЛНОЙ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ СУДНА
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Одной из наиболее опасных ситуаций при эксплуатации морских судов является захват волной носовой оконечности на встречном волнении. При этом возникают значительные гидродинамические усилия, под действием которых происходит потеря остойчивости либо разрушение корпуса судна. Предлагаются конструктивные решения, позволяющие повысить безопасность судов и их экипажей путем снижения вероятности захвата волной носовой оконечности судна на встречном волнении. Разработана конструкция успокоителя качки судна в виде шарнирно закрепленных на корпусе крыльев-стабилизаторов, которые отклоняются от корпуса при погружении носовой оконечности в воду и прижимаются к нему при всплытии. Представлена новая конструкция фальшборта с поворотными секциями, имеющими возможность вращения в направлении от палубы к борту. Данные конструктивные решения позволяют уменьшить зарывание судна носом в волну и снизить гидродинамические воздействия на носовую оконечность. Кроме того, предложена конструкция корпуса судна с отделяющейся носовой оконечностью для предотвращения опрокидывания судна. При достижении гидродинамической силой некоторого критического значения в предлагаемой конструкции произойдет разрушение неразъемного соединения, в результате чего кормовая непроницаемая часть и носовая непроницаемая часть разъединятся и останутся на плаву, что даст возможность команде провести эвакуацию. Предложенные конструктивные решения позволяют повысить безопасность мореплавания в штормовых условиях.

Ключевые слова:
штормовые условия, захват волной, успокоитель качки, фальшборт, носовая оконечность, потеря прочности, потеря остойчивости
Текст
Введение Мореплавание было и остается зоной повышенного риска. Одной из распространенных причин гибели судов являются штормовые условия, при этом экипаж зачастую не успевает подать сигнал бедствия, что свидетельствует о быстром развитии чрезвычайной ситуации. Анализ конструктивных особенностей этих судов показывает, что многие из них имеют большие плоские поверхности в носовой оконечности. Это способствует возникновению явления захвата волной носовой оконечности [1, 2], приводящего к гибели судов вследствие потери прочности или остойчивости, что вызвано просчетами и недостатками применяемых архитектурно-конструктивных решений. Анализ гибели танкера «Находка» позволил авторам [3, 4] обнаружить новые механизмы взаимодействия судна с внешней средой в условиях штормового моря [1, 2], что позволяет разработать рекомендации по повышению безопасности судов и их команды. Особенности взаимодействия судна с внешней средой Для оценки гидродинамических воздействий на корпус судна во время качки при погружении носовой оконечности в воду палуба, в первом приближении, может рассматриваться как крыло конечного удлинения. В результате обтекания возникает гидродинамическая сила PR, которая может быть разложена на перпендикулярную к палубе составляющую PN, а также касательную к палубе PT (рис. 1). Рис. 1. Схема обтекания носовой части корпуса судна: - угол дифферента судна; - угол наклона результирующей скорости обтекания палубы по отношению к вертикали Горизонтальная составляющая скорости обтекания палубы VH определяется выражением , где VC - скорость движения судна; VWH - горизонтальная скорость движения волны. Скорость обтекания палубы в вертикальном направлении VV складывается из двух составляющих: , где VWV - вертикальная скорость частиц воды; VOV - вертикальная скорость носовой оконечности, обусловленная качкой судна. Абсолютное значение результирующей скорости обтекания палубы определится из выражения . Для приближенной оценки значений PN и можно воспользоваться формулами для крыла бесконечного удлинения с некоторыми поправками: , где VR - результирующая скорость обтекания палубы; F- погруженная площадь палубы; ρ - плотность воды; cN - коэффициент нормальной силы крыла, зависящий, в числе прочего, от угла атаки, формы носовой оконечности в плане, телесности носовой оконечности, наличия надпалубных конструкций, характера обтекания палубы вблизи раздела двух сред и пр. Компонента PT оценивается по формуле , где сТ - коэффициент касательной силы крыла, определяемый с учетом указанных выше факторов. Получение строгого решения задачи связано с определенными трудностями, однако приближенно можно оценить значения PN и PT, что дает возможность изучить поведение судна при «зарывании» носом в воду. Исследование взаимодействия судна с внешней средой позволяет предположить, что величина гидродинамической силы PN может оказаться достаточной для того, чтобы разрушить корпус судна или привести к катастрофическому снижению его остойчивости и опрокидыванию. Для решения проблемы захвата волной носовой оконечности весьма перспективной является разработка конструктивных мероприятий, направленных на ограничение гидродинамических воздействий на корпус путем уменьшения зарывания судна носом в волну и изменения условий обтекания. Разработка успокоителей качки для снижения вероятности захвата волной носовой оконечности судна Одним из конструктивных решений, повышающих безопасность судна на встречном волнении, является установка успокоителей качки [5], выполненных в виде крыльев-стабилизаторов (рис. 2). Предлагаемая конструкция успокоителя качки судна состоит из шпигатов 1, крыльев-стабилизаторов 2, закрепленных при помощи шарниров 5 на корпусе судна 6, содержащем выемки на носовой оконечности 3, и упругих элементов 4. Рис. 2. Конструкция успокоителя качки (поперечный разрез корпуса судна с успокоителем качки): а - в закрытом состоянии; б - в открытом состоянии Если при движении судна в условиях сильного встречного волнения происходит погружение в воду носовой оконечности корпуса судна, то вода через шпигаты поступает в выемку на носовой оконечности корпуса судна, закрытую с внешней стороны крылом-стабилизатором. При этом в выемке на носовой оконечности создается избыточное давление, действующее на крыло-стабилизатор и отклоняющее его от первоначального положения вследствие поворота в шарнире с преодолением сопротивления упругого элемента. При отклонении крыла-стабилизатора от первоначального положения и движении носовой оконечности корпуса судна вниз на крыло-стабилизатор начинает действовать гидродинамическая сила, вызывающая его дальнейшее отклонение до тех пор, пока оно не перейдет в крайнее положение, представленное на рис. 2, б. Если носовая оконечность корпуса судна начинает всплывать, то под действием гидродинамической силы, направленной вниз, а также из-за реакций упругих элементов, находящихся в растянутом состоянии, крылья-стабилизаторы прижимаются к корпусу судна, в результате чего уменьшается сопротивление воды всплытию судна и гидродинамическая сила, действующая на носовую оконечность корпуса судна. Такая конструкция позволяет уменьшить качку судна и заливаемость палубы при одновременном снижении гидродинамической силы, действующей на носовую оконечность корпуса судна при ее обтекании. Модернизация конструкции фальшборта в носовой оконечности для предотвращения ее захвата волной Следует отметить, что негативное влияние на характеристики прочности и остойчивости судна в условиях захвата волной носовой оконечности может оказывать фальшборт, ухудшающий условия обтекания. Поэтому целесообразно применять новую конструкцию фальшборта в носовой оконечности [6], при реализации которой фальшборт на одной трети длины судна выполняется в виде отдельных секций, шарнирно закрепленных на корпусе судна и имеющих возможность поворачиваться в направлении от палубы к борту так, что верхняя часть секций фальшборта оказывается направленной вниз (рис. 3). Конструкция состоит из секций фальшборта 2, содержащих наружную стенку 4 и контрфорсы 3, шарнирно закрепленные на палубе 1 при помощи шарнирных опор 5. В районе шарнирного закрепления к палубе контрфорс 3 жестко соединен с ведомым зубчатым колесом 10, которое входит в зацепление с вращаемым двигателем 6 ведущим зубчатым колесом 9. Крутящий момент от двигателя 6 передается посредством вала 7, на котором установлен сальник 8. Рис. 3. Фальшборт с подвижными секциями: а - общий вид носовой оконечности; б - вид сбоку на секцию фальшборта Когда в условиях сильного встречного волнения появляется опасность захвата волной носовой оконечности судна, то по команде судоводителя происходит поворот секций фальшборта в направлении от палубы к борту до достижения верхними частями секций фальшборта нижнего положения. Секции фальшборта вращаются относительно шарнирных опор, при этом оси вращения проходят через центр ведомых зубчатых колес. Поворот секции фальшборта осуществляется с помощью двигателя, установленного под палубой. Двигатель вращает вал, на котором установлено ведущее зубчатое колесо, в результате чего секция фальшборта поворачивается и принимает вертикальное положение. В этом положении вал фиксируется, предотвращая дальнейшее перемещение секции фальшборта при действии потока воды на носовую оконечность судна. В результате установки секций фальшборта в вертикальное положение при их повороте в направлении от палубы к борту до перевода верхних частей секций фальшборта в нижнее положение улучшаются условия обтекания палубы судна в носовой оконечности, вследствие чего снижается гидродинамическая сила, действующая на палубу. Кроме того, секции фальшборта выполняют роль успокоителя качки, т. к. при движении носовой оконечности вниз будет создаваться дополнительное сопротивление вследствие попадания воды в пространство между вертикально установленными секциями фальшборта и бортом судна. Это, в свою очередь, будет способствовать уменьшению погружения поверхности палубы судна и приводить к дополнительному снижению гидродинамической силы, действующей на носовую оконечность. Повышение безопасности экипажа в условиях захвата волной путем предотвращения опрокидывания судна Для судов большой длины, корпуса которых подвержены действию значительных изгибающих моментов при захвате волной носовой оконечности, возникает опасность разрушения корпуса и затопления отсеков. В этом случае для решения проблемы захвата волной носовой оконечности корпус судна следует выполнить из 2-х непроницаемых частей (носовой и кормовой) с неразъемным соединением, смещенным к носу от плоскости мидель-шпангоута, причем разрушение этого соединения должно происходить при нагрузке меньшей, чем вызывающая потерю остойчивости судна (рис. 4, где 1 - кормовая непроницаемая часть; 2 - носовая непроницаемая часть; 3 - неразъемное соединение; L - длина судна; LН - длина носовой непроницаемой части; LК - длина кормовой непроницаемой части; P - равнодействующая гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна; l - расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна). Рис. 4. Корпус судна с отделяющейся носовой оконечностью В предлагаемом техническом решении при превышении гидродинамической силой, действующей на носовую оконечность, некоторого критического значения, при котором метацентрическая высота обнуляется либо ее значение становится близким к нулю, происходит разрушение неразъемного соединения, за счет чего исключается опрокидывание судна, а носовая и кормовая непроницаемые части остаются на плаву. Вопрос о предельно допустимом минимальном значении метацентрической высоты должен являться предметом отдельного самостоятельного исследования. При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к появлению сложного режима обтекания палубы, приводящего к росту изгибающего момента в поперечных сечениях корпуса и снижению остойчивости судна. При достижении гидродинамической силой некоторого критического значения Ркр в предлагаемой конструкции произойдет разрушение неразъемного соединения 3, в результате чего кормовая непроницаемая часть 1 и носовая непроницаемая часть 2 разъединятся. Их водонепроницаемое исполнение позволит избежать затопления обеих частей. С отсоединением носовой непроницаемой части 2 гидродинамические нагрузки, действующие на кормовую непроницаемую часть 1, уменьшатся, что позволит обеспечить безопасность экипажа, у которого будет время на принятие решения по выбору оптимального режима движения судна и мероприятий по улучшению его остойчивости или эвакуацию в случае неблагоприятного развития ситуации. Для обеспечения своевременного отсоединения носовой непроницаемой части от кормовой непроницаемой части разрушение неразъемного соединения должно происходить тогда, когда значение гидродинамической силы достигнет некоторой критической величины Ркр, 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 в соответствии с [1]. Предлагаемая конструкция будет эффективно выполнять свои функции в том случае, когда при приближении значения гидродинамической силы к величине Ркр действующий в неразъемном соединении изгибающий момент будет равен предельному моменту М0, при котором происходит разрушение неразъемного соединения, с учетом коэффициента запаса Kз и действия изгибающих моментов от сил поддержания Мс.п и сил тяжести Мс.т Из этого условия можно определить требуемый предельный момент для неразъемного соединения, при котором будет происходить его разрушение: , (1) где М0 - предельный момент, который может быть воспринят неразъемным соединением; Ркр- критическое значение гидродинамической силы, при котором судно теряет остойчивость, если отделение носовой части не предусмотрено конструкцией; Lн - длина носовой непроницаемой части; l - расстояние от носа судна до точки приложения равнодействующей гидродинамических сил при захвате волной носовой оконечности судна; Kз - коэффициент запаса; Мс.п - изгибающий момент в неразъемном соединении от действия сил поддержания; Мс.т - изгибающий момент в неразъемном соединении от действия сил тяжести. Формула (1) позволяет определить и величину предельно допустимого гидродинамического давления на палубу судна в носовой оконечности: . Для обеспечения непотопляемости носовой непроницаемой части и кормовой непроницаемой части в районе неразъемного соединения необходима установка 2-х водонепроницаемых переборок. Их прочность должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к бортовым перекрытиям рассматриваемого судна, т. к. после отделения носовой непроницаемой части эти переборки окажутся под воздействием нагрузок, сопоставимых с теми, которые действуют на бортовые перекрытия. Обеспечение разрушения неразъемного соединения при достижении изгибающим моментом требуемой величины М0 может быть достигнуто за счет использования листов наружной обшивки меньшей толщины между указанными переборками, чем для соседних районов корпуса, либо путем проточки канавок, обеспечивающих местное утонение обшивки. Возможно также использование болтовых и заклепочных соединений листов в районе неразъемного соединения (при этом болты либо заклепки должны срезаться усилием, возникающим при достижении изгибающим моментом в сечении корпуса величины М0), или сварных швов, прочность которых должна быть ниже, чем прочность пластин обшивки. Указанные способы могут быть применены и для соединения балок продольного набора корпуса в районе неразъемного соединения. При этом чрезмерное уменьшение величины М0 может привести к недопустимому снижению прочности корпуса судна и его разрушению 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 Ркр, т. е. повышающих остойчивость судна, например, за счет одновременной реализации всех предложенных в настоящей статье технических решений. Это позволит обеспечить достаточную прочность корпуса судна и эффективность предлагаемых конструктивных решений. Заключение Предложенные конструктивные решения позволяют повысить безопасность мореплавания в штормовых условиях за счет ограничения зарывания судна носом в волну и снижения величины гидродинамических воздействий на носовую оконечность, а также обеспечивают возможность спасения экипажа в случае неблагоприятного развития ситуации.
Список литературы

1. Бураковский Е. П., Бураковский П. Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Тр. Крыловского гос. науч. центра. 2014. Вып. 82 (366). С. 21-30.

2. Burakovskiy E. P., Burakovskiy P. E. To the question of vessels safety ensuring in the emergency situations // Marine Navigation and Safety of Sea Transportation: Activities in navigation. UK, Croydon: CRC Press/Balkema, 2015. P. 19-24.

3. Watanabe I., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads // Marine Science and technology. Springer, 1998. Vol. 3, no. 4. P. 171-180.

4. Tetsuya Y., Sumi Y., Takemoto H., Kumano A., Sueoka H., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 2. Estimation of the structural strength // Marine Science and technology. Springer, 1998. Vol. 3, no. 4. P. 181-193.

5. Пат. 2582328 РФ. МПК7 B63B 39/06, B63B 1/16, B63B 3/44. Успокоитель качки судна / Бураковский Е. П., Бураковский П. Е., Юсып В. М. № 2014138317/11; заявл. 22.09.2014; опубл. 20.04.2016, бюл. № 11.

6. Пат. 2595094 РФ. МПК7 B63B 17/00, B63B 17/04. Фальшборт / Бураковский Е. П., Бураковский П. Е., Юсып В. М. № 2015126230/11; заявл. 30.06.2015; опубл. 20.08.2016, бюл. № 23.

7. v chrezvychainykh situatsiiakh [To the question of vessels safety ensuring in the emergency situations]. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra, 2014, iss. 82 (366), pp. 21-30.