Качка

КАЧКА СУДНА НА РЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ

Бортовая качка. Бортовая качка судна на регулярном волнении может быть представлена как сумма двух гармонических колебаний - собственных колебании с частотой n_θ бортовой качки на тихой воде без учета сопротивления воды и вынужденных колебании с частотой волны σ и амплитудой качки θ_m.
На регулярном волнении, которое имеет место, например, при мертвой зыби или при качке модели судна в опытовом бассейне, на искусственно создаваемых регулярных волнах, собственные колебания быстро затухают вследствие влияния сопротивления воды, и колебания судна по истечении некоторого времени становятся чисто вынужденными. Амплитуда вынужденных колебаний при бортовой качке без учета сопротивления воды, согласно выводам линейной теории качки, может быть вычислена по формуле:

θ_m = α₀ / (1 - σ² / n_θ²). Так как σ = 2π/τ, а n_θ = 2π / T_θ,
то θ_m = α₀ / (1 - T_θ² / τ²) или θ_m/ α₀ = 1 / (1 - T_θ² / τ²) (1),

где

θ_m - амплитуда качки;
α₀ - наибольший угол волнового склона;
T_θ - период собственных колебаний судна;
τ - период волны.

Отношение , θ_m / α₀ принято называть относительной амплитудой

Из уравнения (1) следует, что по мере приближения периода волны τ к периоду собственных колебании T_θ относительная амплитуда вынужденных колебаний возрастает и при отсутствии сил сопротивления воды становится бесконечно большой (при τ - T_θ). Такое явление называется резонансом.
В действительности, резонанс, хотя и не приводит к возникновению бесконечно больших амплитуд, вызывает появление резонансных максимальных амплитуд. Из сравнения кривых, приведенных на рисунке видно, что влияние сопротивления воды на относительную амплитуду вынужденных колебаний существенно лишь в том случае, когда отношение периодов находится в интервале 0,70 ≤ T_θ / τ ≤ 1,3 ; вне этой области влияние сопротивления незначительно.
Рассматриваемый случай качки является наиболее опасным. Если судно не обладает достаточной динамической остойчивостыо, то резонанс может привести к потере остойчивости и к опрокидыванию судна. Именно поэтому при нормировании остойчивости морских судов оценивают углы, возникающие не только от действия динамически приложенного давления ветра, но и углы крена при бортовой качке, исходя из предположения, что судно находится на регулярном волнении в условиях резонанса при положении лагом к волне.

Килевая и вертикальная качка. Если судно распологается вразрез волне, то оно испытывает килевую качку. Физическая сущность явлений, происходящих при килевой и бортовой качке, практически одинакова, т.к. характер движения судна не меняется, а силы, действующие на него, по своей природе остаются теми же.
Однако условия килевой качки судна на волнении отличаются от условиий бортовой качки. При килевой качке сопротивление окружающей среды значительно больше, чем при бортовой. Поэтому свободные колебания при килевой качке затухают быстрее.
Практически килевую качку можно считать состоящей из одних вынужденных колебаний.
Исследование килевой качки осложняется тем, что одновременно возникает вертикальная качка, причем их взаимное влияние друг на друга и на характеристики колебаний судна существенно.
Поскольку даже при резонансе амплитуды килевой качки относительно невелики, можно утверждать, что практическое значение для судна имеет не столько сама качка, сколько связанные с ней заливаемоеть палубы и надстроек и появление слемминга - гидродинамических ударов носовой частью судна о воду.
Указанные явления, а также ухудшение работы гребных винтов из-за периодического обнажения винто-рулевой группы приводят к значительному (до 50 %) уменьшению скорости судна, что неблагоприятно сказывается на его экономических показателях. Явление слемминга ощущается на протяжении от 1/10 до 1/8 длины судна.
Удары о воду сопровождаются сотрясениями корпуса, переходящими в вибрацию. По мере увеличения крутизны волны сила ударов возрастает, что нередко приводит к повреждениям днища. Поэтому при возникновении сильных ударов судоводитель вынужден уменьшать, скорость или изменять курс судна.

УСПОКОИТЕЛИ КАЧКИ

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.