Полупогружное основание морского сооружения

 

Использование: судостроение. Сущность изобретения: высота H_нб надводного борта и осадка T плавучего основания выполнена не менее 0,6 расчетной высоты волны, а диаметр цилиндра или ширина прямоугольного пантона выполнена по соотношению в зависимости от осадки T основания, длины волны λ и относительного возвышения центра масс плавучего сооружения над центром величины плавучего основания. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к судостроению и гидротехническим сооружениям, предназначено для использования при проектировании и строительстве полупогружных оснований буев, плавучих платформ, плавучих кранов и оснований морских сооружений, опирающихся на дно и позволяет существенно уменьшить возмущающие моменты, действующие со стороны морских волн на различные сооружения, и за счет этого существенно уменьшить их угловую качку или расчетные усилия на конструкции, опирающиеся на морское дно.

Известна плавучая платформа с устройством для уменьшения вертикальной качки. Подводная часть этой конструкции выполнена в виде вертикального цилиндра переменного сечения и снабжена компенсатором в виде замкнутой кольцевой емкости [1] Недостаток этого устройства заключается в сложности конструкции и отсутствии элементов компенсации угловой качки.

Известна плавучая полупогружная платформа, к подводной части корпуса которой шарнирно прикреплены стабилизирующие колонны с возможностью их поворота относительно горизонтальной оси с помощью гидроцилиндров [2] Эта конструкция позволяет уменьшить амплитуду качки в зависимости от гидрометеорологической обстановки, однако конструкция сложна в изготовлении и эксплуатации.

В качестве наиболее близкого аналога принято полупогружное основание, содержащее вертикальный прямостенный понтон и рабочую площадку над ним [3] Недостаток устройства заключается в том, что его полупогружное основание не обеспечивает уменьшение опрокидывающего момента и угловых колебаний, что сужает область применения самого устройства.

Цель изобретения расширение диапазона использования полупогружных оснований для сооружений, для которых актуальны проблемы уменьшения опрокидывающих моментов или угловой качки на морском волнении.

Технический результат достигается тем, что в известном основании высота надводного борта и осадка понтона принимаются не менее 0,6 расчетной высоты волны.

Кроме того, понтон в плане выполнен круговым и оптимальный диаметр его определяется соотношением D_опт= 2T ; где Т осадка понтона; α T/ λ_р; λ _р расчетная длина волны; ε a/T относительное возвышение центра масс над центром величины; а возвышение центра масс сооружения над центром величины погружной части основания; ε _max < 0,03 (D/T)² для свободно плавающего сооружения.

Кроме того, понтон в плане выполнен прямоугольным и оптимальная ширина его определяется соотношением
B_опт= T ,
где ε_max < 0,075 (B/T)² для свободно плавающего сооружения.

На фиг.1 изображено круговое в плане основание; на фиг.2 то же, сечение по оси Х на фиг.1; на фиг.3 прямоугольное в плане основание; на фиг.4 то же, сечение по оси Х фиг.3; на фиг.5 оптимальные соотношения для кругового в плане основания; на фиг.6 оптимальные соотношения для прямоугольного в плане основания.

Круговое в плане основание включает подводную водонепроницаемую часть 1 осадкой Т с центром величины С, находящимся посередине осадки, надводную часть 2 того же диаметра D и высотой надводного борта Н_н.б. и рабочую площадку 3, на которой располагаются различные устройства, определяющие назначение сооружения, например краны, устройства для бурения, радиолокационные антенны. Центр масс сооружения G находится выше центра величины С на величину а.

Такие же составные части имеют и прямоугольное в плане основание (фиг. 3). Для него характерными размерами являются ширина В, длина L и осадка Т.

На полупогружные основания фиг.1 и 3 наложена конфигурация волны высотой h, амплитудой А_о и длиной λ (на фиг.1 и 3 показана полудлина волны λ/2).

В соответствии с основными закономерностями теории качки судов полная уточненная структура возмущающего момента, действующего со стороны волны y A_oe^-ky cos (kx ωt) на вертикально ориентированное основание, приведенного к центру величины основания, имеет вид

(1) где K волновое число;
А амплитуда волны;
ρ плотность воды, тм^-3;
Т осадка основания, м;
а возвышение центра масс С основания над его центром величины;
v водоизмещение основания, м;
I_zs момент инерции площади ватерлинии относительно горизонтальной оси О^z, перпендикулярной направлению распространения волны, м⁴; для круга он равен I_zs^oπr4/8, для прямоугольника I_zs^o LB3/12;
I момент инерции погруженного объема относительно вертикальной плоскости y₁z₁, перпендикулярной направлению распространения волн, м⁵; для кругового в плане основания I πr⁴T/8, для прямоугольного I LTB³/12;
I момент инерции погружного объема относительно горизонтальной плоскости x₁z₁, проходящей через центр плавучести основания, м⁵; для кругового в плане основания I πr²T³/12, для прямоугольного I LBT³/12;
x_r редукционный коэффициент в горизонтальной плоскости, характеризующий кривизну волновой ватерлинии на ширине основания; для кругового x^o_r ≈ 1 для прямоугольного x^o_r ≈ 1 при малых kr < 0,5 и kВ < 0,07; x_r ≈1;
k₅₅ коэффициент присоединенного момента инерции, его значение на основании проведенных экспериментов для круговых в плане оснований лежит в пределах 0,60-0,70, а для прямоугольных 0,75-0,90;
безразмерный коэффициент демпфирования, имеющий значение ≈0,20-0,3.

Если ввести как параметры X T/r, α=T/λ а также относительное возвышение центра масс над центром величины в долях осадки ε= a/T, выразить моменты инерции и объем V через главные размерения, то для кругового в плане основания можно полу-чить выражение для возмущающего момента в виде

(2)
Как известно из теории качки демпфирующая компонента в волновом воздействии значительно меньше инерционно- волновой. Это следует из непосредственного сравнения последнего члена перед sin ωt и члена перед cosωt. Они отличаются лишь множителями (1 + k₅₅) ≈1,6 и 0,3. Поэтому амплитуда суммарного воздействия будет мало зависеть от демпфирующего члена, и min M_zΣ^o будет, в основном, определяться квадратной скобкой перед sinω t. Но она может при некотором X T/r обратиться в ноль. Это значение определяется формулой
x_opt= (T/r)_opt=
(3)
На фиг. 5 для кругового в плане основания построено семейство кривых (D/T)_opt 2x_o^-1_pt позволяющих выбрать оптимальное отношение диаметра к осадке для случая (1 + К₅₅) 1,6 в функции относительной осадки α= T/ λ и относительного возвышения ε= a/T центра масс сооружения над центром величины погруженной части основания.

Аналогично может быть получено выражение для прямоугольного основания
4) ×
(4)
Это выражение также может обратиться в ноль при некотором X T/B. Его значение для (1 + k₅₅) 1,8 может быть определено по формуле
x_opt= = (5)
На фиг.6 для случая (1 + k₅₅) 1,8 построено семейство оптимальных кривых (B/T)_opt для прямоугольного в плане основания.

Из графиков фиг.5 и 6 следует, что каждому α Т/х и ε a/T соответствует свое оптимальное D/T или B/Т. Это позволяет на стадии проектирования оснований выбирать для расчетной волны оптимальные соотношения главных их размерений и положение их центра масс.

Если исходить из условий неоголения днища плавучих оснований при прохождении подошвы волны, их осадка Т должна быть не менее амплитуды волны; чтобы волна не захлестывала рабочую площадку, высота надводного борта плавучего основания также должна быть не менее расчетной амплитуды. Чтобы эти условия выполнялись с некоторым запасом, необходимо выполнение условий
T_min > 1,2 A_o 0,6 ˙h_p,
(6)
Н_н.б. > 1,2 A_o 0,6 ˙h_р где h_р высота расчетной волны.

Высота волны в развитом волнении связана с длиной волны λ. Отношение h/λ 3% обеспеченности составляет 1/18 1/22, а 1% обеспеченности 1/10 1/12, поэтому соблюдение условий (6) выделяет область минимальных рабочих значений Т/λ≥ 0,033 для волн 3% обеспеченности и Т/ λ≥ 0,06 для волн 1% обеспеченности. Это позволяет на фиг.5 и 6 выделить узкие рабочие зоны α= T/λ для выбора оптимальных D/T и B/T полупогружных оснований буев, платформ, плавкранов и др.

Тот факт, что расчетный режим функционирования плавучего основания укладывается в диапазон α= T/λ 0,03-0,1, позволяет упростить выражения (3) и (5) для выбора (D/T)_opt и (B/T)_opt
(D/T)_opt ≈ 2 (7)
(B/T)_opt ≈ (8)
Сравнительно слабая зависимость (D/T)_opt и (B/T)_opt от α= T/λ (см. фиг.5 и 6) позволяет сохранить малые значения опрокидывающего момента и при изменении в реальном случайном волнении длины волны от расчетного значения. Главное при уже выбранной осадке обеспечить оптимальное значение диаметра (ширины) и необходимое положение центра масс.

Вторым условием выбора D/T и B/T для свободно плавающих оснований является обеспечение положительной остойчивости. Это условие эквивалентно условию h_m ρ_m a > 0, где ρ_m= метацентрический радиус;
h_m метацентрическая высота.

Для кругового в плане основания ρ_m^o πr2/8T 0,0312 D²/Т и для прямоугольного ρ_m^o B²/12T 0,083 B²/T.

Условие h_m > 0 ограничивает значение относительного возвышения центра масс плавучих оснований над центром их величины, который для прямоугольных оснований располагается на глубине T/2. Поэтому для обеспечения положительной остойчивости свободно плавающих оснований необходимо соблюдение условий
ε^□_max < 0,0312(D/T)², ε^□_max < 0,083 (B/T)². (9)
Чтобы обеспечить некоторый запас остойчивости, условия (9) необходимо ослабить до ε^□_max < 0,03 и ε^□_max < 0,075 (10). Это накладывает ограничение на распределение масс плавучего основания по высоте.

Покажем на примере методику выбора геометрических характеристик полупогружных оснований, обеспечивающих удовлетворение основным требованиям эксплуатации и минимизации возмущающего момента.

П р и м е р 1. Выбор оптимальных соотношений для прямоугольного основания. Пусть задан расчетный режим функционирования прямоугольного в плане основания на волне 6 баллов. Выбираем из 3%-ной обеспеченности расчетную высоту h_р 4 м, длину λ_р 87 м. Определяем T_min 0,6 h_p 2,4 м. Назначаем Т 2,6 м и Н_н.б. 2,4 м. Находим α= T/λ _р 0,03. По условиям компоновки насыщения основания находим положение его центра масс по высоте Y_G. Пусть для примера Y_G 2,6 м от днища, тогда a Y_G T/2 1,3 м ε= a/Т 0,5.

По формуле (8) или по графикам фиг.4 находим (B/T)_opt 2,33 и В 6,07 м.

Проверяем выполнение условия положительной начальной остойчивости при определенном заранее положении центра масс.

У нас ε 0,5 > ε^□_max. Следовательно, основание в этом случае не обладает положительной остойчивостью и как самостоятельное плавучее сооружение существовать не может. Но в составе многоопорных плавучих сооружений, например, буровых платформ, имеющих 4-6 взаимосвязанных колонн, пересекающих свободную поверхность, выбранное B/Т обеспечит minM_zΣ на каждую колонну, а остойчивость всей платформы будет обеспечена остойчивостью формы нескольких оснований.

Если же основание стоит на ферменных опорах на дне, то его остойчивость обеспечена опорами и полученное выше h_m < 0 не играет никакой роли. Зато minM_zΣ существенно уменьшит расчетные нагрузки на опоры.

Если же необходимо решать задачу для одиночного плавучего основания при назначенном Y_G и Т и значении метацентрической высоты h_m, то в этом случае может быть найдено необходимое значение В, обеспечивающее нужное значение h_m.

B_min=
Для нашего примера с Т 2,6 м а 1,3 м и заданном h_m 0,6 м, В 7,7 м это дает B/Т 2,96, что больше (B/T)_opt 2,33.

П р и м е р 2. Выбор длины вехи кругового в плане основания и положения ее центра масс. Предположим, что задан предельный эксплуатационный режим вехи на волне 7 баллов. Для 3%-ной обеспеченности высота волны h_р 8,5 м, λ 132 м.

Определяем по условиям (6) T_min 0,6 м, h_р 5,1 м и Н_н.б. 5,1 м. Принимаем с запасом для вехи Т 6 м и Н_н.б. 5,1 м. Общая длина вехи 11,1 м. Пусть по условиям плавучести и другим соображениям определен диаметр вехи D 0,5 м. На какой глубине должен находиться центр масс вехи, чтобы на нее действовал минимальный крепящий момент? Определяем α= T/λ_р 0,045 < 0,1. Следовательно, имеем право воспользоваться формулой (7). Определяем (D/T)² (0,5/0,6)² 6,94 ˙10^-3.

По известным α и (D/T)² из (7) находим необходимое ε (D/T)²·(1+6,28·α·e^-πα)-6,7α·e ≡ 0,0327 а -0,2 м. Так как центр плавучести вехи располагается на глубине 3 м, то центр ее масс должен быть на глубине 2,8 м. Такая веха будет иметь минимальную угловую качку, что будет принципиально отличать ее от известных конструкций, центровка которых не подчинена предложенным условиям.

Формула изобретения

1. ПОЛУПОГРУЖНОЕ ОСНОВАНИЕ МОРСКОГО СООРУЖЕНИЯ, содержащее вертикальный прямостенный понтон и рабочую площадку над ним, отличающееся тем, что высота надводного борта и осадка понтона принимаются не менее 0,6 расчетной высоты волны.

2. Основание по п.1, отличающееся тем, что понтон в плане выполнен круговым и оптимальный диаметр его определяется соотношением

где T осадка понтона;
α = T/λ_p;
λ_p расчетная длина волны;
ε = a/T относительное возвышение центра масс над центром величины;
a возвышение центра масс сооружения над центром величины погруженной части основания;
ε_max< 0,03(D/T)² для свободно плавающего сооружения.

3. Основание по п. 1, отличающееся тем, что понтон в плане выполнен прямоугольным и оптимальная ширина его определяется соотношением

где ε_max< 0,075(B/T)² для свободно плавающего сооружения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6