Гаситель вибрации выдвижного устройства подводной лодки

 

Изобретение относится к судостроению, а именно, к выдвижным устройствам подводных лодок. Труба выдвижного устройства содержит перфорированный по всей поверхности кожух, установленный на верхней части трубы. При этом кожух установлен с зазором по отношению к трубе выдвижного устройства, а его наружный диаметр равен диаметру нижней части трубы выдвижного устройства. Технический результат заключается в снижении вибрации труб выдвижных устройств подводных лодок. 6 ил.

Изобретение направлено к значительному уменьшению вибрации выдвижных устройств (ВУ) подводных лодок (ПЛ) и относится к области прикладной гидродинамики.

Для обеспечения работы имеющихся на ПЛ навигационных, астронавигационных, радиолокационных и др. комплексов ПЛ оборудуются ВУ. ВУ представляет собой стальную вертикально расположенную мачту трубчатого сечения с антенным постом на верхнем конце, перемещающуюся вдоль своей оси в специальных опорных сальниках. ВУ подразделяются на вращающиеся, то есть такие, которые поворачиваются вокруг своей вертикальной оси, и невращающиеся. В рабочем положении ВУ выдвигается вверх и значительно возвышаясь над корпусом движущейся ПЛ, обтекается набегающим потоком воды. Особенностью эксплуатации ВУ является интенсивная его вибрация при работе в перископном (рабочем) положении ПЛ, а также наиболее тяжелом случае при полном ее погружении.

Причина возникновения вибрации ВУ следующая.

Как известно, с поверхности цилиндра, обтекаемого поперечным потоком жидкости, периодически срываются вихри, индуцирующие на нем гидродинамические силы. Указанные гидродинамические силы, воздействуя на ВУ, мачта которого является цилиндрическим телом, вызывают его вибрацию. Между гидродинамическими силами, вызывающими вибрацию, и параметрами вибрации существует связь, вследствие которой в определенном диапазоне скоростей возникает явление резонанса, характеризующееся резким возрастанием амплитуды вибрации. Возрастание амплитуды свыше определенного предела недопустимо, так как повышенная вибрация ВУ создает угрозу его прочности, вызывает большие перегрузки на антенных постах, снижающие надежность их работы и, что самое важное, приводит к неподдающимся учету погрешностям в работе соответствующих комплексов. Поэтому борьбе с вибрацией ВУ придается очень большое значение.

Уменьшение или частичное гашение вибрации ВУ осуществляется путем создания различных гасителей.

Несмотря на наличие известных гасителей универсальное конструктивно приемлемое средство для гашения вибрации ВУ любого типа пока отсутствует и в ряде случаев ни один из существующих виброгасителей не может быть использован на конкретном ВУ. Это объясняется большим разнообразием конструктивных особенностей ВУ, требований к их вибрации, эксплуатационных условий, а также различными по природе вибрационными явлениями, возникающими при работе ВУ.

К ВУ, на которых установка существующих гасителей часто затруднена, относятся ВУ, на верхнюю часть которых по условиям скрытности при работе не желательна установка деталей, выходящих за ее наружные обводы и приводящих к увеличению радиолокационной видимости. К этой же группе ВУ относятся ВУ, верхняя часть которых при опускании уходит внутрь опор, не оставляя места на трубе или наделке для размещения гасителя вибрации.

Известным техническим решением является конструкция стабилизации поведения дымовых труб в ветровом потоке, предложенная Ц.Скрутоном и Роджерсом в виде навивки ребер на трубу (Scruton, C. Rodgers E.W.E. Steady and unsteadu wind loading of buildings and structures. Proc. Truns. Pog. Soc. Lond. ff №269, 1971. p.353-383). Оптимальной навивкой считается навивка трех ребер с шагом 5D (каждая винтовая линия) и высотой (0,1÷0,2D). При консольном опирании сооружений дни считают целесообразным навивать ребра только на верхней трети сооружения.

Конструкция мачты ВУ по изобретению отличается от существующих в настоящее время мачт своим свойством значительно уменьшать гидродинамические силы, воздействующие на ВУ и вызывающие его вибрацию. Эта конструкция мачты может быть применена для всех без исключения ВУ, включая и указанные выше, на которые в силу тех или иных условий не могут быть установлены гасители вибрации.

Новое, что составляет сущность изобретения, состоит в том, что предлагаемая конструкция мачты, не ограничивая опускание ВУ в опоры, расположенные в проницаемой части корпуса ПЛ, обеспечивает резкое уменьшение амплитуды вибрации ВУ.

Принцип гашения вибрации и его конструктивное решение значительно отличают предлагаемую конструкцию мачты от существующих в настоящее время гасителей вибрации ВУ. Эффект гашения вибрации по изобретению достигается путем нарушения регулярности вихреобразования на верхней части цилиндрической поверхности самой мачты ВУ, то есть на той ее части, где силы, вызывающие вибрацию, максимальные. Для этого верхняя ее часть несколько утоняется за счет уменьшения толщины стенки трубы и на эту часть устанавливается перфорированный тонкостенный стальной цилиндр, таким образом, чтобы между его внутренней поверхностью и мачтой оставался зазор и чтобы его наружная поверхность являлась продолжением наружной поверхности нижней части мачты. При необходимости в зазоре между кожухом и мачтой могут ставиться перемычки.

При движении ПЛ в перископном или полностью погруженном положении в месте расположения отверстий на кожухе нарушается регулярность срыва вихрей и изменяется характер обтекания. Этому же способствует перетекание воды из лобовой части в тыльную в зазоре между кожухом и трубой. Эти явления сопровождаются резким уменьшением вызывающих вибрацию ВУ раскачивающих гидродинамических сил в верхней части мачты, то есть в той ее части, где плечо этих сил относительно верхней опоры, а следовательно, и эффективность их действия являются наибольшими.

Практическое осуществление предлагаемой конструкции мачты не вызывает затруднений. Дело в том, что для достижения необходимой прочности в корневом, то есть наиболее опасном сечении мачты ВУ, большинство мачт в настоящее время делаются из труб со значительной толщиной стенок. Толщина стенок, оставаясь постоянной по всей длине мачты, доходит на некоторых ВУ до 40 мм. При постоянстве толщины стенки трубы по всей ее длине, прочность в верхней части мачты, где изгибающий момент действующих на нее сил значительно меньше, чем в нижней, оказывается неоправданно завышенной. Поэтому утонение стенки трубы в верхней ее части на 10÷15 мм для установки там перфорированного кожуха является не только допустимым, но и полезным, так как ведет еще и к уменьшению общего веса ВУ.

В отличие от перечисленных выше существующих гасителей вибрации, уменьшение вибрации ВУ мачтой предлагаемой конструкции достигается сведением к минимуму раскачивающих гидродинамических сил за счет нестационарности образования вихрей вследствие проницаемости поверхностного слоя мачты, перетеканий жидкости в зазоре между кожухом и мачтой из лобовой части в тыльную и нарушения непрерывности обводов обтекаемой поверхности ВУ.

Предлагаемая конструкция мачты ВУ обладает следующими положительными качествами:

1. Применима для резкого уменьшения вибрации как вращающихся, так и невращающихся ВУ ПЛ всех типов, особенно для ВУ ПЛ, верхняя часть которых при опускании полностью уходит внутрь опоры, не оставляя места для установки каких либо гасителей вибрации.

2. Уменьшает возмущающие силы, вызывающие вибрацию во всех возможных случаях эксплуатации ВУ (в перископном и погруженном положениях). Частичное оголение перфорированного кожуха в перископном положении практического значения не имеет, так как в этом режиме действующие возмущающие силы и вибрация существенно меньше, чем в погруженном положении.

3. Уменьшает вес ВУ и экономит дефицитный и дорогостоящий материал мачты.

4. Конструкция мачты позволяет ей при опускании ВУ свободно проходить через верхние опоры или внутрь опорной части существующих конструкций, оставаясь при этом вне прочного корпуса ПЛ, что позволяет устанавливать ее в существующие опоры всех типов без изменения их конструкции.

5. Не нарушает прочность ВУ, так как перфорированный кожух располагается на той части трубы, которая в рабочем положении ВУ наиболее удалена от опоры, то есть прочность которой всегда заведомо завышена.

6. Не нарушает общую компоновку ВУ, а также не оказывает влияния на системы, расположенные в трубе.

7. При подъеме ВУ, а также при его работе и опускании практически не увеличивает удельное давление на существующие опоры.

Предлагаемая конструкция мачты должна найти широкое применение на всех типах ВУ и на перископах.

Один из возможных вариантов применения конструкции мачты по изобретению показан на фиг.1.

ВУ с мачтой предлагаемой конструкции представляет собою мачту, состоящую из четырех цилиндрических звеньев. Два верхние звена 3 и 4 телескопические - при опускании ВУ в опоры они убираются внутрь звена 2. ВУ при подъеме и опускании перемещается в двух верхних опорах 6 и нижней герметичной опоре 7, составляющей одно целое с прочным корпусом ПЛ.

Первое (основное) звено ВУ 1 представляет собою мачту предлагаемой конструкции с круглыми отверстиями на установленном кожухе. На фиг.1 ВУ показано в поднятом (рабочем) положении. На фиг.2 - в опущенном. На фиг.2 видно, что установка перфорированного кожуха 5 не нарушает водонепроницаемости прочного корпуса ПЛ, так как кожух располагается на участке трубы 1, остающейся при опускании ВУ вне прочного корпуса.

Эффективность предлагаемой конструкции мачты ВУ проверена экспериментально на динамически подобных моделях в кавитационной трубе. Испытана была модель с круглыми отверстиями на кожухе, а также контрольная модель без отверстий. Результаты испытаний представлены графически в виде зависимостей относительной амплитуды поперечных колебаний при вибрации от относительной скорости . Здесь относительная амплитуда

где y - амплитуда поперечных колебаний в м.

D - диаметр стержня модели в м., а относительная скорость потока, являющаяся величиной обратной числу Струхаля

где υ - скорость набегающего потока в м/с;

f_с - частота поперечных колебаний в герцах.

Результаты получены при относительной площади перфорации , где

S_п - суммарная площадь отверстий на кожухе;

S - площадь поверхности кожуха без учета отверстий.

В реальной конструкции ВУ указанное соотношение вполне осуществимо.

Рабочие чертежи и фотографии моделей, испытанных в кавитационной трубе, а также результаты этих испытаний представлены на фиг.:

фиг.3 - чертеж модели ВУ с мачтой предлагаемой конструкции, испытанной в кавитационной трубе;

фиг.4 - чертеж модели ВУ с мачтой обычной конструкции (контрольная модель), испытанной в кавитационной трубе;

фиг.5 - фотография модели ВУ с мачтой предлагаемой конструкции, испытанной в кавитационной трубе;

Фиг.6 - результаты испытаний моделей в кавитационной трубе.

Как видно из графика фиг.6 эффект от применения мачты предлагаемой конструкции выражается уменьшением амплитуды вибрации ВУ более чем в 5 раз.

Формула изобретения

Гаситель вибрации выдвижного устройства подводной лодки, состоящий из кожуха, установленного на верхней части трубы выдвижного устройства, не входящей при его опускании в прочный корпус подводной лодки, отличающийся тем, что, с целью уменьшения вибрации выдвижного устройства за счет изменения характера его обтекания, кожух выполнен перфорированным по всей поверхности, установлен с зазором по отношению к трубе выдвижного устройства и имеет наружный диаметр, равный диаметру нижней части трубы.

РИСУНКИ