Наши патенты
Не смотря на изучение ударных гидродинамических нагрузок многими советскими учеными, начиная с 60г. прошлого века (этими исследованиями занимались в СССР Бойцов Г.В., Егоров И.Т., Ершов Н.Ф., Курдюмов А.А., Осипов О.А., Постнов В.А., Ростовцев Д.М., Чувиковский Г.С., Шиманский Ю.А. и другие) практические натурные исследования на судах в море и на крупномасштабных моделях в реальных морских условиях эксплуатации в СССР были сосредоточены во Владивостоке и выполнялись под руководством профессора Барабанова Н.В.
Барабанов Николай Васильевич, профессор, выдающийся советский и российский ученый, лауреат премии Правительства РФ, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук, награжденный орденами Ленина и Отечественной войны, одиннадцатью медалями, воспитавший целую плеяду инженеров-кораблестроителей, научных работников, создавший научную школу имени профессора Барабанова, бессменно проработавший в ДВПИ более 60 лет с 1939 по 2002г.
Изучением бортового слеминга автор патентов начал заниматься сразу по окончанию института, по заданию научного руководителя профессора Барабанова Н.В. Актуальность исследования была связана с повреждениями корпуса рефрижератора «Профессор Попов» Дальневосточного морского пароходства полученных от ударов волн в развал борта на встречном волнении.
Поскольку повреждения корпусных конструкций рефрижератора были крайне значительными, лишь по счастливой случайности не закончившиеся катастрофой (деформации и разрыв верхней палубы вместе с ширстреком в районе 1/3 длины судна от носового перпендикуляра), принимая во внимание серию построенных и эксплуатирующихся судов этого типа в СССР, по решению Министерства морского флота СССР на рефрижераторе «Профессор Попов» были организованы длительные натурные научные исследования нагрузок, возникающих при бортовом слеминге, которые выполняла группа научных сотрудников кафедры конструкции судов ДВПИ в составе Агрономова Н.С., Братухина О.И. и Литвинова Ю.Ф.
Исследования выполнялись в 1986-1988г. во время нескольких рейсов рефрижератора «Профессор Попов» по маршруту Владивосток-Хошимин (Вьетнам), Владивосток-Ханой (Вьетнам), Владивосток-Нейпер (Новая Зеландия), Владивосток-Магадан как в порожнем, так и в груженом состоянии в тихоокеанских морях Японского, Охотского, Берингова, Восточно-Китайского, Филиппинского, Южно-Китайского, Кораллового и Тосманова морей, а также моря Фиджи.
Именно во время тех многолетних натурных испытаний, длительное время визуально наблюдая за взаимодействием носовой оконечности рефрижератора с волной при различных высотах волн, разных курсовых углах движения судна и разной загрузке судна появилось понимание особенностей явления бортового слеминга.
Наблюдая многими часами на неиссякаемую энергию набегающих волн, с неистовой и с нескончаемой силой разбивающихся о наружную обшивку носовой оконечности, а также глядя на поистине гармоничное движение обитателей океана рядом с судном, в том числе движущихся на поверхности воды (см. рис. ниже) - дельфинов, касаток и летучих рыб, которые в силу своей формы тела не отбивали волну против своего движения, как это делало судно, приходило понимание неправильности самого принципа сопротивления волнам движущимся судном.
Приходило понимание бесполезности траты энергии судна на сопротивление волнам.
Наблюдая на мостике как капитан сбрасывает скорость хода из-за бортового слеминга и передает новые данные о более позднем подходе рефрижератора для погрузки или выгрузки становилось понятным, насколько дорого обходится подобное снижение скорости судовладельцу. Принимая же во внимание, что это явление – намеренное снижение скорости судов в условиях развитого волнения происходит повсеместно с десятками тысяч судов в мире, находящихся в море, был очевиден масштаб общих многомиллиардных экономических потерь, связанных с бортовым слемингом. Даже не принимая во внимание, катастрофические разрушения судов из-за ударов в развал борта.
Иногда посещало даже понимание бесполезности проводимой исследовательской работы.
Допустим, в результате нашего и подобных экспериментов мы сможем точнее прогнозировать нагрузку при слеминге, понимать картину взаимодействия, научимся точнее рассчитывать прочность и таким образом повысим надёжность корпуса, но ведь с точки зрения эффективности эксплуатации судна ничего не изменится! Судно продолжит всю свою жизнь отбивать волны и тратить впустую энергию работы главного двигателя. При этом даже оптимизированная конструкция с необходимой прочностью, если капитан не сбросит в достаточной степени скорость хода, гарантированно получит повреждения.
Почему же дельфин двигаясь иногда на поверхности воды не отбивает воду вперёд, как это делает движущееся на волнах судно?
Как оптимизировать форму носовой оконечности судна, чтобы капитан не опасался за прочность судна и судно могло двигаться полным ходом в условиях волнения? Возможно ли снизить ударные нагрузки, не снижая скорости? Как увеличить энергоэффективность?
Эти и подобные вопросы уже тогда почти 40 лет назад не давали покоя.
Задача увеличения скорости доставки товаров и минимизация стоимости доставки приводит к росту размерений судов, к стремлению иметь большие объемы и площади для размещений грузов, росту мощностей и как следствие скоростей движения судов гражданского флота. Это в свою очередь, приводит к естественному стремлению иметь наименьшее сопротивление движению судна, что обеспечивается крайне острыми линиям теоретического чертежа (Ватерлиниям) в носу, которые для обеспечения всхожести на волну «вынуждены» стремительно развиваться в надводной части, образуя значительные площади развалов бортов. То есть потенциальных мест приложения значительных гидродинамических нагрузок.
При этом обычно игнорируется форма носовой оконечности надводной части корпуса, которая расположена значительно выше конструктивной ватерлинии (желтый цвет на рис.ниже), поскольку подразумевается, что эта часть корпуса не взаимодействует с водой.
Однако в условиях развитого волнения эта часть корпуса, неизбежно взаимодействует с волнами, представляя собой неоптимальную форма для такого взаимодействия, а зачастую вертикальный отбойник для волн, как это показано на рис.выше
Таким образом перекос в сторону оптимизации формы корпуса по сопротивлению на тихой воде, то есть обводов в подводной части и в районе переменных ватерлиний, приводит к неоптимальным формам обводов выше ватерлинии с развитым развалом борта выше КВЛ либо вертикальными поверхностями, которые отражают волну. Так в судостроении и кораблестроении по нашему мнению был нарушен общий баланс формы корпуса (В подводной и надводной части носовой оконечности).
Как результат этого процесса суда продолжали именно «преодолевать»(Всхожесть на волну — способность преодолевать волну) волны (от термина одолеть, победить), фактически отбивая волну против ее движения см. рис. ниже.
В общем случае схема взаимодействия набегающей волны с носовой оконечностью, имеющей традиционные обводы приведена на рис. ниже, также приведена эпюра гидродинамической нагрузки при непрерывном погружении.
Форштевень традиционной формы, имеющий наклон вперед, влечет за собой применение формы носовых шпангоутов с развалом борта (см. рис. ниже), которые обеспечивают всхожесть на волну и рост подъемной силы.
Реальные эпюры гидродинамических нагрузок еще более опасные см. рис. ниже.
Подобное взаимодействие всегда сопровождается интенсивными гидродинамическими нагрузками (удары в развал борта или бортовой слеминг), величины которых в общем случае зависят от скорости взаимодействия, угла развала борта и площади взаимодействия.
Ударные нагрузки, возникающие при погружении носовой оконечности в волну, приводят к потери скорости, возникают дополнительные динамические изгибающие моменты и вибрация корпусных конструкций судна, которая отрицательно влияет на обитаемость, прочность корпусных конструкций, работоспособность устройств и механизмов. В результате резкого торможения наблюдаются значительные ускорения продольной качки, а после погружения во встречную волну наблюдается заливаемость палубы.
Существенный угол развала борта приводит к тому, что в процессе погружения носовой оконечности в волну резко возрастает площадь погруженной части ватерлинии, чем обеспечивается всхожесть на волну. Одновременно погружение в волну носовой оконечности резко тормозится в силу того, что носовая оконечность отбивает волну.
Так впустую тратится энергия судна, а встречные волны тормозят не только каждое судно в отдельности, но и в целом тормозится мировой флот.
Появляющиеся все более энерговооруженные суда не в состоянии реализовать свои мощности в условиях развитого волнения, поскольку капитаны во избежание значительных ударов волн, вынуждены ограничивать скорость движения судна, вследствие чего судовладельцы, а следовательно вся мировая экономика несет экономические потери в сотни миллиардов долларов ежегодно, поскольку повышение скорости в условиях встречного волнения может привести и приводит к катастрофическим разрушениям корпуса.
Особенно опасно смещение груза из-за ударов волн и состояния суммирования изгибающих, скручивающих и динамических ударных моментов для судов имеющих небольшой запас общей продольной прочности (например, с ослабленным верхним пояском эквивалентного бруса, вследствие, например, значительного раскрытия палубы), поскольку неконтролируемые величины ударных моментов значительно возрастают с ростом скорости.
Существует иной способ обеспечения мореходности и всхожести на волну, который не связан с отражением волны и соответственно ударным взаимодействием с волной.
Это способ безударного обтекания носовой оконечности волной, который реализован в патентах DolphinBow® (Нос дельфина) и Нос Касатки®OrcaBow®
Он заключается в том, что форштевень, имея отрицательный угол наклона, то есть наклон в корму, не имеет поверхностей направленных вперед против движения волны. За счет чего обеспечивается отсутствие бортового слеминга, а всхожесть на волну обеспечивается ростом объемов погружаемой, развитой по высоте носовой оконечности, представляющей собой в поперечных сечениях форму показанную на рис.ниже, по мере подъема волны вверх по форштевню, за счет чего обеспечиваются плавность роста подъёмной силы при погружении, то есть мягкие параметры продольной качки.
Рис. Иллюстрация взаимодействия поперечных сечений носовой оконечности с водой.
Заметим, что подобное решение с отрицательным углом наклона форштевня не является принципиально новым, однако наши технические решения имеют существенные преимущества перед другими имеющимися (В противном случае они не могли быть признаны изобретениями.).
Прежде всего оно существенно отличается от наиболее известного патента X-Bow наличием носового бульба.
В одном случае (патент RU2774987) наличие развитого бульба определяет меньшее сопротивление движению судна, что крайне важно для относительно скоростных судов гражданского назначения типа контейнеровозов и/либо пассажирских судов, в другом случае (патент RU2728476) бульб, имеющий форму «ледового» бульба, обеспечивает значительно меньшее ледовое сопротивление, за счет разрушения ледяного поля наиболее эффективным образом путем изгиба – см. рис.
Предлагаемые технические решения в определенной части меняют философию проектирования судов.
В стройной философии науки проектирования - «действующая нагрузка-моделирование-расчет-нормирование-выбор формы и размеров», традиционно считалось, что действующие нагрузки на судно традиционной формы неизбежны и потому корпусные конструкции должны их воспринять без отказов.
Формы корпуса с форштевнем, имеющим отрицательный угол наклона, практически позволяют избежать максимума нагрузок в носовой части, то есть избежать привычных «естественно-природных» нагрузок, действующих на корпус судна, которые при классическом подходе считалась неизбежными и обязательными для восприятия без отказов.
Отсутствие ударных нагрузок в носовой части позволяет изменить подобную картину, избавившись от пиковых нагрузок в носу и таким образом качественно изменить распределение нагрузок по длине корпуса.
Таким образом философия проектирования, основанная на необходимости обеспечения прочности и надежности судовых конструкций в условиях неизбежности естественных ударных нагрузок заменяется на поиск решений, направленных на гармонизацию взаимодействия корпуса судна с волной, которая приводит к существенному уменьшению интенсивности естественных нагрузок, воздействующих на корпус судна.
Именно подобная гармонизация обеспечивает комплекс положительных эффектов, начиная с меньшей металлоемкости корпусных конструкций и заканчивая большими скоростями движения, ростом энергоэффективность и так далее, что в итоге и приводит к существенному росту эффективности эксплуатации судов.