Корпус глиссирующего судна

 

Использование: в конструировании малотоннажных и маломерных глиссирующих судов. Сущность изобретения: в корпусе глиссирующего судна, содержащем два асимметричных полукорпуса, каждый из которых выполнен с одной внешнекилевой глиссирующей пластиной днища, ограниченной снизу горизонтальным килем, а также надводный мост, соединяющий полукорпуса, установленные своими горизонтальными килями под углом γ к диаметральной плоскости судна, находящимся в пределах от 6 до 18^o с вершиной, обращенной в сторону носовой оконечности, при этом угол внешней килеватости β каждой глиссирующей пластины выбран из соотношения: , где α - оптимальный угол атаки при глиссировании. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к судостроению и касается конструирования малотоннажных и маломерных глиссирующих судов.

Известен корпус глиссирующего судна, содержащий два асимметричных полукорпуса, каждый из которых выполнен с одной внешнекилевой глиссирующей пластиной днища, ограниченной снизу горизонтальным килем, а также надводный мост, соединяющий полукорпусы (Катера, лодки и моторы в вопросах и ответах. Справочник /Под ред. Г.М.Новака. Л. Судостроение, 1977, с.60-65).

Однако он обладает пониженными гидродинамическим качествами.

Технический результат от внедрения изобретения состоит в повышении гидродинамических качеств глиссирующего судна при высоких уровнях быстроходности и мореходности.

Этот технический результат достигается тем, что корпус глиссирующего судна содержит два асимметричных полукорпуса, каждый из которых выполнен с одной внешнекилевой глиссирующей пластиной днища, ограниченной снизу горизонтальным килем, а также надводный мост, соединяющий полукорпуса. Последние установлены своими горизонтальными килями под углом γ к диаметральной плоскости судна, находящимся в пределах от 6 до 18^o, с вершиной, обращенной в сторону носовой оконечности. Угол внешней килеватости b каждой глиссирующей пластины выбран из соотношения: , где a - оптимальный угол атаки при глиссировании.

Кроме того, полукорпуса выполнены с частичным совмещением в носовую монокорпусную оконечность, а надводный мост имеет в плане клиновидную форму.

Полукорпуса полностью разнесены от диаметральной плоскости, а надводный мост имеет в плане форму усеченного клина.

На фиг. 1 дан теоретический чертеж корпуса в проекции "Бок"; на фиг. 2 - то же, в проекции "Полуширота"; на фиг. 3 то же, в проекции "Корпус".

Условные обозначения на фиг. 1-3: 1, 2,8 теоретические шпангоуты; 9 транцевая кормовая оконечность; 10 линия форштевня; 11 линия общего наклонного киля полукорпусов; 12 линия раздельных горизонтальных килей полукорпусов; 13 линия первой скулы; 14 линия второй скулы; 15 уровень свода надводного моста; 16 ходовая ватерлиния; ОП нулевая (горизонтальная) плоскость; ДП диаметральная плоскость; О носовая оконечность корпуса.

Корпус может быть выполнен в двух конструктивных вариантах: 1 с частичным разнесением от ДП полукорпусов; 2 с полным разнесением от ДП полукорпусов. На фиг. 1-3 дан полный теоретический чертеж корпуса по первому конструктивному варианту. Он с неизбежностью имеет монокорпусную носовую часть, которая в приводимом примере простирается от носовой оконечности О до шпангоута 5, где имеет общие для полукорпусов форштевень 10 и наклонный к ОП киль 11, расположенные в ДП, т.е. в плоскости соединения полукорпусов. При условии наклон киля 11 составляет конструктивно заданный a угол (см. фиг. 1).

От шпангоута 5 до транца 9 полукорпуса разведены от ДП с переменным горизонтальным клиренсом, так что их горизонтальные кили 12 образуют в плане (см. фиг. 2) фигуру с углом раствора 2γ. На этой фигуре корпус не имеет обычного горизонтального участка днища, и за ее кромками по килям 12 образуется клиновидный воздушный тоннель с тупиком на шпангоуте 5. Такой вырожденный тоннель прикрыт сверху клиновидным сводом надводного моста на уровне 15 (см. штриховую линию на фиг. 1 и 3), соответствующем или чуть превышающем уровень статистической ватерлинии (на чертеже не обозначена).

Плоские килеватые пластины полукорпусов заключены между горизонтальными килями 12 и первыми скулами 13. По всей своей длине от транца 9 до шпангоута 2 они имеют неизменный угол килеватости β (см. фиг. 3) при условии, что . В передней своей части глиссирующие пластины от шпангоута 2 до шпангоута 5 соединены между собой в ДП по наклонному килю 11 и пространственно образуют форму "стилетного" жала. Далее в корму пластины разделены между собой и имеют классическую почти прямоугольную форму (см. фиг.2). Для разрежения насыщенности на чертежах не изображены линии батоксов, однако совершенно ясно, что в пределах глиссирующих пластин все эти линии будут строго параллельны линии наклонного киля 11, то есть будут наклонены к ОП под углом a.

Надводные формы корпуса не имеют принципиального значения для данного технического решения. Изображенная на фиг. 1-3 форма со сломом обшивки во второй скуле 14 дает лишь частный пример решения проблем мореходности и технологичности (все элементы обшивки либо плоские, либо идеально разворачиваются на плоскость). Вполне возможны, однако, и кафедральные, и тримаранные, и сложные криволинейные обводы носовой части, лишь бы они обеспечивали хорошее поведение судна на большой волне, что вполне возможно.

Корпус глиссирует следующим образом.

Вертикальная составляющая гидродинамических сил, действующих на глиссирующие пластины со стороны атакующего их водяного потока, стремится вытолкнуть корпус из воды, и он поднимается, касаясь ее лишь ниже ходовой ватерлинии 16 (см. фиг. 1 и 2). При этом смоченная часть поверхности глиссирующих пластин между килями 12 и ватерлиниями 16 значительно уменьшается. Поскольку гидродинамическое давление в области смоченной поверхности пропорционально квадрату скорости, с ростом скорости требуется все меньшая площадь смоченной поверхности, что приводит к дальнейшему понижению уровня ходовой ватерлинии 16. При этом смоченная фигура, имеющая в плане форму полого клина (см. фиг. 2), становится все более тонкой.

У обычных корпусов с параллельными ДП килями указанное уменьшение площади смоченной поверхности глиссирующих пластин сопровождается сильным смещением центра гидродинамического поддержания в корму. Это сопровождается резким уменьшением дифферентующего момента и соответствующим изменением ходового дифферента. На значительных скоростях такие изменения приобретают характер автоколебаний с быстро нарастающей амплитудой. Судно теряет продольную устойчивость и переходит на режим "дельфинирования", который не только дискомфортен, но и опасен из-за потери управляемости и возможности подлета с переворотом в воздухе. В предложенном же корпусе смоченная фигура лишь утоньшается с ростом скорости, ее смоченная длина и эффективная ширина почти не меняются, а положение центра гидродинамического поддерживания практически постоянно. Благодаря этому данный корпус в отношении устойчивости к дельфинированию имеет подавляющее преимущество перед другими, за исключением, может быть, реданных корпусов и классической трехточки. Кстати, для лучшего уяснения этого момента полезно представить себе данный корпус в виде "распределенной" модификации обратной трехточки.

Центровка судна должна быть такой, чтобы центр масс совпадал с центром гидродинамического поддержания при строго горизонтальном положении корпуса. Иными словами, корпус должен глиссировать без какого-либо дифферента, при этом направление атаки параллельно ОП и ДП, а струи атакующего потока, обтекающие пластины примерно по линиям смоченных батоксов, составляют с пластинами угол встречи, равный конструктивно заданному значению a. Следствием этого является обращение гидродинамического качества К в максимум, зависящий от гидродинамического удлинения смоченной фигуры пластин l.

Для обычных прямых килеватых пластин угол a лежит в пределах от 3 до 5^o, а уменьшение l, повышающее устойчивость к дельфинированию, усиливает эффект поперечного растекания струй, снижающий гидродинамическое давление на пластины и уменьшающий максимум качества К при некотором росте оптимального a. Для косых пластин поперечное растекание сильно затруднено из-за очень малой длины смоченных батоксов, однако точный учет этого момента невозможен из-за отсутствия данных систематических исследований косого глиссирования в опытных бассейнах. Поэтому дадим грубые оценки, исходя из следующих предположений. Прежде всего, если за гидравлическое удлинение пары косых пластин принять отношение полной ширины смоченной клиновидной фигуры к ее полной длине, то мы придем к условию l≈2tgγ. Далее предположим, что условие l≈2tgγ позволяет использовать для оценки К и a данные систематических исследований прямых пластин малой килеватости. Некоторое представление о таких данных дает рис. 55 на с. 62 справочника "Катера, лодки и моторы в вопросах и ответах" (Л. Судостроение, 1977). В частности, максимально широкой расстановке полукорпусов с g18^o соответствует оценка К=9 и a приблизительно 3-4^o. Уменьшение угла g приводит к некоторому падению качества К. К такому же результату можно прийти, исходя из аналогии между косыми гидропластинами и узкими, длинными, но косыми аэродинамическими крыльями. Однако для удачного проектирования судов с предложенными обводами необходимы дальнейшие исследования косых глиссирующих пластин.

Заметим, что значения l, К и a практически не зависят от собственной ширины В₀ глиссирующих пластин. Это позволяет с ростом энерговооруженности и расчетной скорости переходить ко все более узким пластинам и добиваться значительного смягчения ударов от встречи с крупными волнами, как и в прототипе. Кроме того, широкая поверхность надводного моста здесь заблокирована от встречи с крупной волной, вспарываемой носовой оконечностью. Эти особенности значительно улучшают мореходность.

Хуже выглядит взаимодействие корпуса с мелкой волной, создающей эффект постоянной "тряски". Дело в том, что "след", который "пропахивают" косые пластины на водной поверхности, более широк, чем у "глубокого V", и более, чем у прототипа. При равной скорости на этом следе корпус "собирает" большее число мелких волн, что увеличивает эффект "тряски". Ее интенсивность, растущая примерно пропорционально кубу скорости, способна вызвать на больших скоростях нестерпимый дискомфорт. Поэтому широкая расстановка с g ≈18^o целесообразна лишь для относительных скоростей F_r D≅6.

С дальнейшим ростом скорости целесообразны, несмотря на некоторое падение К, меньшие значения g, что дает двойной эффект. Во-первых, уменьшается ширина "следа". Во-вторых, согласно условию увеличивается килеватость b, что смягчает взаимодействие. При одновременном уменьшении ширины B₀ это значительно улучшает комфортабельность хода. Однако такие меры осуществимы лишь при одновременном росте энерговооруженности, необходимом для поддержания высокой скорости при пониженном К. Разумным переделом уменьшения g для корпусов с монокорпусной носовой частью является значение g ≈10^o, так как при дальнейшем уменьшении g невозможно удержать достаточный уровень поперечной остойчивости.

Между тем, снижение ударных нагрузок в условиях морских и трансокеанских переходов с околорекордными скоростями может диктовать снижение g вплоть до 6^o. В этом случае необходим переход ко второму конструктивному варианту, при котором полукорпуса дополнительно разводятся от ДП на постоянную составляющую клиренса. На ту же составляющую увеличивается ширина корпуса, что дает увеличение статической и ходовой поперечной остойчивости. При этом воздушный тоннель и покрывающий его надводный мост являются сквозными без носового тупика и имеют в плане форму усеченного клина с узким прямоугольным продолжением в нос. Впрочем, указанное носовое продолжение не является обязательным. Описанное дополнительное расширение при втором конструктивном варианте не должно быть чрезмерным, так как при этом возрастает вероятность сильных ударов в расширенный свод моста при встрече с особо крупными волнами.

Для минимальных значений g условие становится не пригодным из-за слишком больших килеватостей (b >40^o). Так как поддержание качества К на уровне не ниже 6,5 требует, чтобы во всех случаях было не выше 30^o, здесь требуется переход к неравенству . При этом конструктивный угол наклона батоксов будет несколько меньше оптимального угла атаки. Для того, чтобы глиссирование осуществить все же под оптимальным углом, необходимо придать корпусу на ходу небольшой дифферент на корму, что может быть достигнуто соответствующей корректировкой центровки судна. Оговоренные здесь обстоятельства составляют важную гидродинамическую особенность второго конструктивного варианта.

Из-за особенностей формы смоченной поверхности корпус при разгоне на малых скоростях будет иметь незначительное, но неизбежное носовое смещение центра гидродинамических сил. Соответственно он будет получать малый разгонный дифферент на корму и будет иметь слабо выраженный "горб сопротивления", то есть будет отличаться улучшенными стартовыми характеристиками. Сопоставительно, прототип обладает наиболее высоким и затянутым "горбом сопротивления" из известных корпусов. Классический катамаран стартует плохо. Улучшению стартовых характеристик способствует увеличение собственной ширины пластин В₀, которое в сочетании с достаточно большой угловой шириной g обеспечивает стартовые характеристики. По тем же причинам корпус быстрее набирает скорость при выходе из крутого поворота, что улучшает его маневренные качества. Это может оказаться важным для некоторых условий эксплуатации, например для сложных маршрутных гонок по спокойной воде. По мере уменьшения B₀ и g старт постепенно ухудшается. Стартовые характеристики корпуса по второму конструктивному варианту с минимальными B₀ и g будут приближаться к уровню прототипа. Впрочем, для скоростного морского судна с высокой энерговооруженностью этот недостаток не столь существенен.

Наилучшим движителем, работающим в возмущенном потоке под тоннелем, является частично погружаемый винт (ЧПВ).

Формула изобретения

1. Корпус глиссирующего судна, содержащий два асимметричных полукорпуса, каждый из которых выполнен с одной внешнекилевой глиссирующей пластиной днища, ограниченной снизу горизонтальным килем, а также надводный мост, соединяющий полукорпусы, отличающийся тем, что полукорпусы установлены своими горизонтальными килями под углом γ к диаметральной плоскости судна, находящимся в пределах от 6 до 18 градусов, с вершиной, обращенной в сторону носовой оконечности, при этом угол внешней килеватости b каждой глиссирующей пластины выбран из соотношения где a - оптимальный угол атаки при глиссировании.

2. Корпус по п.1, отличающийся тем, что полукорпусы выполнены с частичным совмещением в носовую монокорпусную оконечность, а надводный мост имеет в плане клиновидную форму.

3. Корпус по п.1, отличающийся тем, что полукорпусы полностью разнесены от диаметральной плоскости, а надводный мост имеет в плане форму усеченного клина.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3