Устройство для придания направления поставленной на якорь плавучей конструкции против направления течения и/или волн

 

Изобретение относится к судостроению и водному транспорту, касаясь создания устройств для ориентации плавучих конструкций на их якорных стоянках в открытом море в условиях волнения. Устройство предназначено для придания направления поставленной на якорь плавучей конструкции против направления течения и/или волн. Конструкция носовой частью пришвартована к бую или чему-либо подобному. Один или более поворотный и предпочтительно принудительно приводимый в движение ветровой руль расположен на корме плавучей конструкции с возможностью регулирования по любому желаемому углу к продольной оси плавучей конструкции. При этом ветровой руль имеет сечения, подобные профилю крыла или капле, и разделен на три шарнирные части, которые могут колебаться относительно друг друга, обеспечивая изгиб по центральной линии. Технический результат реализации изобретения заключается в обеспечении устойчивого удержания судна против направления волн для устранения его рыскания с большой амплитудой и больших амплитуд бортовой качки. 4 ил.

Изобретение относится к устройству, позволяющему направлять плавучую конструкцию против направления волн, когда упомянутая конструкция поставлена на якорь или пришвартована к бую своей носовой частью (перед средней частью судна). В данном случае плавучая конструкция может представлять собой любой тип корабля, шлюпки или плавучего сооружения, которые предназначены для использования в открытых водах.

В настоящее время значительные количества нефти и газа, добываемые из подземных месторождений в море, например, в Северном Море, транспортируют к установкам, находящимся на берегу, таким как нефтеочистные сооружения и складские резервуары, посредством трубопроводов, расположенных на морском дне. Помимо этого, большое количество нефти и газа транспортируют судами, в частности нефть и газ, добываемые на небольших, удаленных месторождениях, не сообщающихся с трубопроводной системой, имеющейся на морском дне.

При использовании судна для такого типа транспортирования предполагается, что судно подсоединено или пришвартовано к бую, который поставлен на якорь вблизи от платформы или погруженного в море хранилища, где хранится газ или нефть, при этом нефть или газ транспортируются к судну посредством одного или более трубопроводов, установленных посредством буя.

Суда, используемые для добычи и хранения, постепенно стали применяться для хранения и добычи нефти и газа из небольших морских месторождений, либо зон, в которых глубина моря делает неудобным или невозможным использование установок, покоящихся на морском дне. Суда этого типа ставят на якорь посредством башни, которую обычно устанавливают на носовой части корпуса судна.

В плохую погоду при сильном ветре, морском течении и значительном волнении силы, действующие на судно, буй и швартовы, могут оказаться чрезвычайно большими. В частности, значительные силы действуют на суда, которые могут свободно колебаться относительно места швартовки (буй, якорь или что-либо подобное) с большой амплитудой от одной стороны к другой.

В открытом море (см. следующий абзац) преобладающие силы, действующие на судно, которое пришвартовано с возможностью свободных колебаний, обычно создаются силами волн, при этом чем больше становится амплитуда колебаний, тем больше судно будет подвергаться воздействию волн. Это сопровождается значительными горизонтальными перемещениями и силами, а также подъемом и бортовой качкой, что вызывает тяжелые нагрузки, приводящие к износу и повреждению судна и швартовов.

Как известно, ранее поставленное на якорь судно направляли против направления волн посредством подруливающих боковых устройств, расположенных в кормовом конце судна, однако такие устройства стоят дорого и требуют дополнительных затрат на ремонтные работы и обслуживание.

Кроме того, общеизвестно применительно к шлюпкам, в частности к небольшим рыболовным шлюпкам, оснащенным для рыбной ловли лесками и сетями, использование спинакера. Спинакер - это парус, который удерживается мачтой на кормовом конце шлюпки и служит для удерживания шлюпки против направления ветра и уменьшения ее бортовой качки. Когда тянут орудия рыболовства, такие как сети или лески, важно удерживать шлюпку против направления ветра, с тем чтобы избежать дрейф шлюпки поперечно орудию рыболовства.

Итак, спинакер представляет собой парус, обычно расположенный (за исключением хода под парусами) параллельно шлюпке.

Когда судно ставят на якорь, либо швартуют к бую или чему-либо подобному в открытом море для загрузки или добычи нефти, либо газа, основная задача заключается в устойчивом удерживании судна против направления волн, о чем упомянуто ранее, с тем чтобы избежать начала колебаний (рыскания) судна с большой амплитудой, что может привести к тяжелым нагрузкам на швартовы. Кроме того, когда судно располагается так, что имеют место небольшие изменения направления, можно избежать больших амплитуд бортовой качки.

В настоящем изобретении предложено устройство, позволяющее решить этот вопрос.

Устройство отличается установкой поворотного, предпочтительно принудительно приводимого в движение ветрового руля, который приспособлен для регулирования, обеспечивающего любое желаемое угловое положение согласно длинной оси судна, что определено в прилагаемом пункте 2 формулы изобретения. В зависимых пунктах 3 и 4 формулы изобретения описаны предпочтительные отличительные признаки изобретения.

Ниже изобретение описано подробно со ссылками на чертежи, на которых представлены варианты осуществления его конструкции и на которых: на фиг.1 представлены виды сбоку и сверху, при этом судно снабжено ветровым рулем согласно изобретению; на фиг.2 представлен один из вариантов осуществления конструкции ветрового руля, включенного в изобретение; на фиг. 3 представлена одна теоретическая ситуация для судна, пришвартованного посредством башни, как показано на фиг.1, при которой ветер и волны действуют на судно в различных направлениях; на фиг.4 представлено основанное на экспериментах, проведенных на моделях, графическое изображение: а) рыскания моделирующей шлюпки, когда направление ветра к направлению морского течения и волн составляет 20^o, а моделирующая шлюпка не оснащена ветровым рулем; b) рыскания той же самой моделирующей шлюпки, которая упомянута выше, когда направление ветра к направлению морского течения и волн составляет 20^o, а шлюпка оснащена ветровым рулем, расположенным под углом 30^o к ее длинной оси.

Как упомянуто выше, на фиг.1 представлены виды судна 1 сбоку и сверху. Носовой конец судна оснащен башней 4, которая расположена в корпусе для поворотного движения и пришвартована к морскому дну посредством якорных канатов 3 (в дальнейшем не показаны). Итак, судно расположено таким образом, чтобы оно свободно поворачивалось или качалось относительно башни.

Один из существенных отличительных признаков согласно изобретению заключается в установке поворотного ветрового руля, расположенного на кормовом конце судна, где упомянутый руль проходит над палубой или возможными установками на палубе. Ветровой руль 5 предпочтительно приводится в движение посредством электрического или гидравлического мотора и приспособлен для поворота в любое желаемое положение (по углу) относительно продольной оси судна. Поперечное сечение руля должно соответствующим образом иметь форму профиля крыла или капли, как показано на чертеже, с тем чтобы обеспечить увеличенный "подъем" или пониженное сопротивление воздуха. С другой стороны, могут быть использованы и иные формы, например плоская, либо приблизительно плоская форма.

На фиг.2 представлено поперечное сечение руля альтернативной формы, при этом руль имеет форму, которая приблизительно обеспечивает действие подъемной поверхности в случае направления ветра по обеим сторонам судна. На этой фигуре используются следующие символические обозначения: α_R = направление руля относительно судна; β = направление ветра относительно судна; τ = направление ветра относительно руля;
С = направление носового стабилизатора относительно направления руля;
d = направление кормового стабилизатора относительно направления руля;
FR = подъемная сила от руля;
DR = сила сопротивления от руля.

На фиг.2а рулю придана такая форма, чтобы сообщать "подъем" левому борту (PS на фигуре), когда ветер действует со стороны левого борта судна. На фиг. 2b представлена обратная ситуация, с формой профиля руля, когда ветер действует со стороны правого борта судна и когда желателен "подъем" правого борта. Такой профиль обеспечивает большой "подъем" даже при угле атаки, составляющем 0^o, и создает максимальную силу при его поперечном направлении под углом порядка 8-15^o в зависимости от формы профиля.

Руль разделен на три шарнирные части, которые могут колебаться относительно друг друга таким образом, чтобы обеспечить возможность формирования центральной линией профиля такой кривой, которая изображает форму крыла. Он имеет основную часть 10, которая может поворачиваться вокруг мачты 11, удерживаемой судном 1. Передняя часть 8 профиля, "передняя кромка", может поворачиваться вокруг оси 9. Задняя часть 7, "хвостовая кромка", может поворачиваться вокруг оси 6. Обе оси 6 и 9 жестко прикреплены к основной части 10.

В открытом море волны главным образом создаются ветром, причем в случае сильного штормового ветра (гал или сильнее) направление волн обычно будет подобно направлению ветра в диапазоне углов порядка 15-20^o с обеих сторон. Этот угол может стать больше в условиях слабого ветра из-за так называемого "старого моря".

Морские течения также главным образом создаются ветром. Такое создаваемое ветром течение в результате вращения земли движется в направлении, составляющем до 20^o по отношению к направлению ветра. Однако может иметь место содействие такому течению, вызываемое приливными, глобальными (течение Гольфстрим) или локальными течениями. При этом угол между течением и волнами составляет до 40-60^o даже в условиях сильного ветра.

Когда ветер и течение в общем действуют под углом, который отличается от направления волн, судно, не оснащенное ветровым рулем, будет ориентировано под осредненным направлением, которое отличается от направления волн. Создаваемые волнами силы будут значительными, поскольку волны, как упомянуто выше, будут вызывать большие нагрузки в направлении поперечно судну. Кроме того, происходит сильное изменение волн по времени, а за счет этого судно будет совершать рыскающие движения, которые вызывают сильные динамические нагрузки на швартовы.

На фиг.3 представлена теоретическая ситуация, когда судно пришвартовано посредством башни, как показано на фиг.1, и когда ветер и волны действуют на судно в разных направлениях, которые указаны стрелкой. На этой фигуре приведены следующие символические обозначения:
F_S = поперечный компонент силы ветра, действующей на судно;
F_C = поперечный компонент нагрузок на судно, обусловленных течением;
F_W = поперечный компонент силы волн, действующей на судно;
D_S = продольный компонент силы ветра, действующей на судно;
D_C = продольный компонент нагрузок на судно, обусловленных течением;
D_W = продольный компонент силы волн, действующей на судно;
F_t = сила швартовки башни;
γ = направление судна относительно направления движения волн;
M_S = момент вращения при рыскании, обусловленный силой ветра, действующей на судно;
М_C = момент вращения при рыскании, обусловленный нагрузками на судно за счет течения;
М_W = момент вращения при рыскании, обусловленный силами волн, действующими на судно;
FR = поперечный компонент силы ветра, действующей на ветровой руль;
DR = продольный компонент силы ветра, действующей на ветровой руль;
СО G = центр тяжести судна.

Стрелки действия сил, обозначенные символами F_W, F_С и F_S, характеризуют поперечные компоненты сил, обусловленных соответственно волнами, течением и ветром, которые действуют на судно. F_R и D_R представляют собой поперечный и продольный компоненты сил ветра, действующих на ветровой руль.

Продольные компоненты сил ветра, волн и течения, которые действуют на судно, подобным же образом показаны стрелкой, обозначенной D_S+D_W+D_C. Кроме того, ветер, волны и течение приведут к появлению момента сил рыскания (вокруг вертикальной оси судна), как показано на фигуре стрелкой, обозначенной М_S+М_W+М_C, который действует вокруг центра тяжести (СО G) судна. Величина сил и моментов, которые действуют на судно, зависит от формы судна как под уровнем судна, так и над ним, а также от относительного направления соответственно между судном и ветром, волнами и течением.

Сила швартовки, обозначенная символом F_R, действует через центр башни. Моменты сил, действующие на швартовочную систему башни, обычно имеют такую незначительную величину, что ими можно пренебречь.

Судно может быть определено, как пришвартованное неустойчивым в отношении направления образом, если оно переходит из начального положения в другое положение, значительно отличающееся от начального положения, под влиянием небольшой поперечной силы (возмущения). Этот отличительный признак характерен для статически неустойчивой ситуации. Динамически неустойчивая ситуация отличается тем, что судно начинает поворачиваться (рыскать) с увеличением амплитуды, если на него действует небольшое поперечное возмущение (под влиянием силы за ограниченный период времени).

Силы, которые могут вызвать неустойчивое поведение судна, могут создаваться ветром, волнами, течением или другими факторами, влияющими на судно. Пришвартованное судно устойчиво или неустойчиво в отношении его направления в зависимости от коэффициентов поперечных сил и крутящих моментов, создаваемых ветром, волнами и течением, совместно с местоположением башни и силами ее швартовки. Динамический критерий устойчивости направления, кроме того, определяется моментом инерции судна относительно движений рыскания и поперечных направлений судна.

Величина сил, создаваемых волнами, ветром и течением, которые действуют на судно, зависит от геометрии судна и его осредненного направления по отношению к направлению волн, ветра и течения. В данной ситуации, если судно неустойчиво в отношении направления, то, как упомянуто выше, следует ожидать значительных рыскающих движений. В том случае, если судно устойчиво в отношении направления, сила обратной связи (от ветра, течения и волн) в целом будет небольшой по сравнению с силами инерции судна. Таким образом период реакции на рыскание станет продолжительным, составляя 100 с и более в зависимости от сил ветра, течения и волн. Это, кроме того, предполагает, что если один компонент силы (например, силы, создаваемой волнами) изменяет величину или направление, направление судна может существенно измениться. В частности, на рыскание будут влиять (медленное изменение) силы, обусловленные волнами.

Поскольку ветер часто действует в направлении, которое отличается от направления волн, а также создает преобладающую силу, влияющую на направление судна, осредненное направление судна, не оснащенного ветровым рулем, в основном будет определяться направлением ветра. Таким образом направление судна будет в некоторой степени смещено по отношению к направлению волн. Эта ситуация неблагоприятна, когда волны действуют против носа судна под смещенным направлением, вызывающим большие динамические силы, которые создают рыскание, что приводит к весьма высоким динамическим нагрузкам на швартовы судна, поставленного на якорь. Волны, действующие на судно под косым углом, кроме того, могут вызвать значительную бортовую качку судна.

Использование одного или более ветровых рулей согласно изобретению обеспечивает силу, которая действует в направлении, противоположном сумме сил FW, FC и FS, и которая способствует следующему:
- повышению устойчивости судна в отношении направления, когда руль действует так, чтобы увеличить "жесткость упругости угла рыскания" судна, с увеличением сил, которые будут поворачивать судно обратно к осредненному направлению после отклонения;
- изменению осредненного направления судна таким образом, что направление волн спереди к носовой части будет прямолинейным, за счет чего динамические силы, которые влияют на углы рыскания судна и на осредненную волновую нагрузку, будут уменьшены.

Управление ветровым рулем и его регулирование может осуществляться альтернативными способами, например:
- посредством периодической регулировки руля в соответствии с изменениями осредненного направления судна по отношению к ветру и волнам;
- посредством непрерывной регулировки руля, которая, кроме того, учитывает рыскание судна для максимального использования эксплуатационных характеристик руля.

Помимо этого, рулю должны быть приданы такие размеры, чтобы он выдерживал поперечную силу, то есть он должен быть достаточно прочным, чтобы удерживать нос судна против волн при наиболее вероятных сочетаниях нагрузок, создаваемых ветром, волнами и течением, как для нагруженной, так и для балластной осадки.

Кроме того, регулирование руля и управление им может быть осуществлено вручную или автоматическим способом, подобным способу управления и регулирования, касающемуся бокового подруливающего устройства, при динамически располагающемся судне, причем регулирование и управление будет выполняться посредством, скажем, управляющих данных на основе непрерывных записей, например, направления судна, ветра, течения и волн.

Были проведены эксперименты с моделирующей шлюпкой, пришвартованной к башне, при этом шлюпка была оснащена закрепленным рулевым устройством согласно изобретению. Эксперименты проводились в моделирующем резервуаре, где волны распространялись в направлении, которое составляло 20^o с направлением ветра, а направление течения было подобно направлению волн. Ветровой руль был зафиксирован в положении, которое составляло угол порядка 30^o с длинной осью моделирующей шлюпки, и имел площадь, которая приблизительно составляла 20% от площади поперечного сечения водной поверхности шлюпки.

В ходе экспериментов шлюпка располагалась под осредненным углом порядка 3,3^o к направлению волн, при этом угол атаки ветра к ветровому рулю составлял 30-20+3,3=13,3^o. В этих условиях максимальный угол рыскания шлюпки составлял 11,43^o, в то время минимальный угол рыскания составлял -4,1^o. В последнем упомянутом случае угол атаки ветра к ветровому рулю составлял 30-20-4,1=5,9^o, а в первом упомянутом случае подобный угол составлял 30-20+11,4 =21,4^o.

Также были проведены эксперименты на моделирующей шлюпке, не оснащенной ветровым рулем. При этих экспериментах направление ветра и волн было таким же, как и в вышеуказанном случае. При этом осредненный угол шлюпки к направлению волн составлял порядка 13^o к направлению волн. Кроме того, максимальный угол рыскания составлял 28^o, а минимальный угол рыскания был равен 0,4^o.

На фиг. 4 а) и b) представлены графики рыскания шлюпки соответственно с рулем и без него, записанные в течение проведенных экспериментов.

Как следует из приведенных выше значений и из фиг.4 а) и b), движение рыскания (колебательное движение из стороны в сторону) значительно меньше для шлюпки, оснащенной ветровым рулем. При этом разность между наибольшими амплитудами рыскания составляет более 30%. Уменьшение амплитуды рыскания также приводит к уменьшению нагрузок на швартовы, которые, как было измерено, составляли порядка 25% для шлюпки, оснащенной ветровым рулем. Однако, что касается ветрового руля, который был использован при экспериментах, следует упомянуть о том, что этот руль не был доведен до оптимального состояния как в отношении размеров, так и формы. Между тем, результаты экспериментов показывают положительное влияние на перемещения и силы, которое получается исключительно за счет применения ветрового руля согласно настоящему изобретению.

Формула изобретения

Устройство для придания направления поставленной на якорь плавучей конструкции (1) против направления течения и/или волн, при этом конструкция носовой частью пришвартована к бую или чему-либо подобному, отличающееся тем, что один или более поворотный и предпочтительно принудительно приводимый в движение ветровой руль расположен на корме плавучей конструкции (1) с возможностью регулирования по любому желаемому углу к продольной оси плавучей конструкции, при этом ветровой руль имеет сечения, подобные профилю крыла или капле, и разделен на три шарнирные части (7, 8, 9), которые могут колебаться относительно друг друга, обеспечивая изгиб по центральной линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4