Судно водоизмещающего типа с воздушной прослойкой под днищем

 

Изобретение относится к судостроению и касается создания судов с уменьшенной смоченной поверхностью днища. Судно имеет корпус. В днище корпуса образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха и ограниченная бортовыми скегами с водоотделяющими кромками. Между скегами находится кормовой замыкающий элемент свода днища. В полости установлен, по крайней мере, один поперечный редан. Нижняя кромка редана не выходит за пределы упомянутых кромок. Место пересечения кромок находится на диаметральной плоскости судна в его носовой части. Водоотделяющая кромка каждого скега расположена по линии каждого из n_i аппроксимируемых элементах участков, где 1 < n_i ≅ 10⁶. Участки образуют с диаметральной плоскостью судна угол α_i, выбираемый в пределах 0°≅ α_i≅ 90°. Длина L₁ водоотделяющей кромки по каждому бортовому скегу от места их пересечения в носовой части по отношению к максимальной длине L₂ выбрана в пределах 0,2 ≅ L₁/L₂ < 1,0. Аппроксимируемые элементарные участки водоотделяющих кромок, образованные плоскостями, расположенными в зонах контактов с водой и воздушной полостью, образуют на каждом i-м элементарном участке угол β_i, выбираемый в пределах 30°≅ β_i≅ 170°. Пересечение водоотделяющих кромок не выходит за место перехода линии киля в форштевень. Угол α_i водоотделяющей кромки каждого скега с диаметральной плоскостью может постепенно уменьшаться в направлении от пересечения кромок в носовой части судна к кормовой его части. Скеги могут выполняться в виде выступов или наклонных пластин. Технический результат реализации изобретения состоит в создании полости с оптимальными формами для удержания единой прослойки в широком диапазоне скоростей движения. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. 1 табл.

Изобретение относится к судостроению и касается конструкции судов водоизмещающего типа с воздушной прослойкой под днищем.

Известны конструкции судов (см. SU, A3 217980, A3 288576, US, A 365542), у которых днище выполнено в виде непрерывного профиля, продольные бортовые скеги выступают по днищу, установленные воздуховоды имеют отверстия на днище между скегами, выполнены поперечные реданы для формирования воздушных прослоек, расположенные между бортовыми продольными скегами, при этом реданы изготовлены в виде пластин, прикрепляемых к днищу под острым углом. В кормовой части судна устанавливается, по крайней мере, один выступ в виде редана, охватывающий днище и часть каждого борта для предотвращения попадания воздуха из полости к гребным винтам.

Недостатком данных конструкций является то, что на эксплуатационной скорости при подаче воздуха на днище за поперечными реданами образуются воздушные прослойки с передней границей на водоотделяющих кромках поперечных реданов, изолирующие часть днища от воды и соответственно уменьшающие сопротивление трения судна, однако омывание участков днища в конце каждой воздушной прослойки и обтекание большого количества поперечных пластин ограничивают эффективность снижения сопротивления трения.

Известна конструкция судна с воздушной прослойкой (SU, A1, 1145587), которое имеет полость на днище, ограниченную носовым реданом, бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом и разделенную на отдельные секции расположенными по всей ширине полости между бортовыми скегами поперечными козырьками, при этом поперечные козырьки и кормовой замыкающий элемент удалены по нижним кромкам в плоскости, проходящей через продольную ось днища, на определенное расстояние друг от друга, первый поперечный козырек удален от носового редана также на определенное расстояние, а нижние кромки поперечных козырьков не выходят за основную плоскость днища.

При движении указанного судна и подаче в днищевую полость сжатого воздуха за носовым реданом и поперечными козырьками образуются воздушные прослойки с передней границей на водоотделяющих кромках поперечных реданов. Длина воздушных прослоек на эксплуатационной скорости достигает значений, равных расстояниям между нижними водоотделяющими кромками козырьков. В результате происходит образование единой воздушной прослойки, чем обеспечивается уменьшение смоченной водой поверхности днища и снижение сопротивления трения.

Однако единая воздушная прослойка на этом судне устойчива в узком диапазоне скоростей, и при наличии возмущений эксплуатационного характера, при линейном изменении скорости единая воздушная прослойка подвержена разрушению с образованием сравнительно коротких разрозненных воздушных прослоек. На данном судне образование воздушных прослоек не предусмотрено на сужающихся участках днища, что также ограничивает эффективность снижения сопротивления трения.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является судно, преимущественно водоизмещающего типа с цилиндрической вставкой с воздушной прослойкой под днищем, содержащее корпус, в днище которого образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха, ограниченная бортовыми скегами и кормовым замыкающим элементом. В полости установлен, по крайней мере, один водоотделяющий элемент, нижняя кромка которого не выходит за нижние кромки бортовых скегов. Бортовые скеги выполнены с водоотделяющими нижними кромками, расположенными под острым углом к диаметральной плоскости судна, по крайней мере, на длине не менее 1/3 расстояния от точки пересечения этих кромок с диаметральной плоскостью в носовой части днища до кормового края кормового замыкающего элемента и не более расстояния от упомянутой точки до носовой границы кормового замыкающего элемента (RU N 2051510 27.12.95. Бюл. N 36).

Благодаря бортовым скегам, расположенным под острым углом к диаметральной плоскости, эффективность снижения сопротивления трения увеличивается за счет образования воздушной прослойки на сужающихся участках днища.

Однако воздушная прослойка на этом судне устойчива также в узком диапазоне скоростей, так как форма полости выполнена без учета характера обводов смоченной поверхности днища судна перед полостью.

Задача изобретения - создание судна водоизмещающего типа с воздушной прослойкой под днищем, обеспечивающей снижение сопротивления трения в широком диапазоне скоростей движения судна.

Технический результат от использования изобретения заключается в создании полости с оптимальными формами, образуемой бортовыми скегами, а также связанными с ними водоотделяющими кромками, выполненными с учетом обводов смоченной поверхности днища перед полостью, которые обеспечивают удержание единой воздушной прослойки на всей площади под днищем в широком диапазоне скоростей движения.

Указанный технический результат достигается тем, что в судне водоизмещающего типа с воздушной прослойкой под днищем, содержащем корпус, в днище которого образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха и ограниченная скегами с водоотделяющими кромками и кормовым замыкающим элементом свода днища, расположенным между скегами, причем в полости установлен, по меньшей мере, один поперечный редан, нижняя кромка которого не выходит за пределы водоотделяющих кромок бортовых скегов, а пересечение водоотделяющих кромок расположено на диаметральной плоскости судна в носовой его части, согласно изобретению водоотделяющая кромка каждого скега расположена по линии каждого из n_i апроксимируемых элементарных участков, где 1 < n_i ≅ 10⁶, которые образуют с диаметральной плоскостью судна угол α_i, выбираемый в пределах 0°≅ α_i≅ 90°, при этом длина L₁ водоотделяющей кромки по каждому бортовому скегу от места их пересечения в носовой части по отношению к максимальной длине полости L₂ выбрана в пределах 0,2 ≅ L₁/L₂ < 1,0, а элементарные участки водоотделяющих кромок, образованные плоскостями, расположенными в зонах контактов с водой и воздушной полостью, образуют на каждом i-ом элементарном участке угол β_i, выбираемый в пределах 30°≅ β_i≅ 170°, причем пересечение водоотделяющих кромок не выходит за место перехода линии киля в форштевень.

Целесообразно, чтобы образуемый каждым i-ым элементарным участком угол α_i с диаметральной плоскостью постепенно уменьшался от места пересечения водоотделяющих кромок в носовой части судна к кормовой его части.

Целесообразно, чтобы бортовые скеги были выполнены в виде жестко установленных на днище выступов, например, наклонных пластин с углами γ_i к днищу корпуса в сечениях, перпендикулярных водоотделяющей кромке, которые выбираются в пределах 0°≅ γ_i≅ 90° На фиг. 1 изображено продольное сечение судна; фиг. 2 - вид на днище с полостью в виде выемки; фиг. 3 - сечение А - А фиг. 2; фиг. 4 изображает вариант судна с полостью на днище, образованной наклонными пластинами, продольное сечение; фиг. 5 - вид на днище судна, изображенного на фиг. 4; фиг. 6 - сечение Б - Б фиг. 4.

Судно (фиг. 1 и 2), имеющее днище 1 с полостью 2, соединенной с источником 3 сжатого воздуха повышенного давления, и ограниченной бортовыми скегами 4, сводом 5 с кормовым замыкающим элементом 6.

Водоотделяющая кромка 7 каждого скега 4 расположена по линии каждого из n_i апроксимируемых элементарных участков, где 1 < n_i ≅ 10⁶, которые образуют с диаметральной плоскостью 8 угол α_i, выбираемый в пределах 0°≅ α_i≅ 90° на длине L₁, которая выбирается в пределах 0,2 ≅ L₁/L₂ < 1,0, где L₂ - максимальная длина воздушной полости. Место пересечения 13 водоотделяющих кромок 7 расположено на диаметральной плоскости 8 в носовой части судна, не выходя за место перехода линии киля 15 в форштевень 16.

Целесообразно длину L₁ принимать не более L₃ - расстояние от точки пересечения водоотделяющих кромок 7 до начала 9 кормового замыкающего элемента 6.

В полости 2 между водоотделяющими кромками 7 бортовых скегов 4 установлен, по крайней мере, один поперечный редан 11 с нижней кромкой 12, не выходящей за пределы водоотделяющих кромок 7.

Аппроксимируемые элементарные участки водоотделяющих кромок 7, образованные плоскостями 10 и 17, расположенными в зонах контактов с водой и с воздушной полостью, образуют на каждом i-ом элементарном участке угол β_i, выбираемый в пределах 30°≅ β_i≅ 170° (фиг. 3).

Бортовые скеги 4 (фиг. 4 и 5) могут быть выполнены в виде жестко установленных на днище 1 выступов 18, в виде, например, наклонных пластин (фиг. 6) с углом γ_i к днищу корпуса в сечениях, перпендикулярных водоотделяющей кромке 7, выбираемым в пределах 0°≅ γ_i≅ 90°.

При движении описываемого судна подаваемый воздух в полость 2 на днище 1 образует воздушную прослойку с передней границей на водоотделяющих кромках 7 и с длиной воздушной прослойки, превышающей длину L₁ участка бортовых скегов 4 с водоотделяющими кромками 7, расположенными под углом α_i к диаметральной плоскости судна. Принятое расположение водоотделяющих кромок 7 способствует образованию и поддержанию воздушной прослойки на большей части длины днища 1, в том числе и на сужающихся участках в носовой части 14 судна и позволяет осуществить устойчивое поддержание ее по отношению к возмущениям эксплуатационного характера.

Существенные преимущества изобретения обеспечиваются за счет апроксимации каждого i-го элементарного участка с водоотделяющими кромками 7, количество которых составляет 1 < n_i ≅ 10⁶, а углы их образования и наклона позволяют с учетом конструктивных особенностей различных судов водоизмещающего типа построить днищевую полость 2 с оптимальной конфигурацией, также определить выбор наиболее эффективных углов β_i водоотделяющих кромок 7 на каждом из участков бортовых скегов 4, кроме того, варьирование зависимостью длины L₁ водоотделяющей кромки к длине воздушной полости L₂ позволяет создать для данного типа судна и с учетом его конкретных характеристик максимальную по площади воздушную полость, обеспечивающую снижение гидродинамического сопротивления.

Пример 1.

Универсальное сухогрузное судно Длина наибольшая - 81,9 м Длина по ватерлинии - 79,8 м Ширина - 11,4 м
Осадка - 2,1 м
Водоизмещение (объемное) - 1800 м³
Длина цилиндрической вставки корпуса - 20,5 м
На днище судна выполнена полость с параметрами:
- отношение длины L₁, на которой водоотделяющие кромки бортовых скегов образуют с диаметральной плоскостью судна угол 0°≅ α_i≅ 90°, к максимальной длине полости L₂ - L₁/L₂ = 0,26;
- углы α₁ водоотделяющих кромок на длине L₁ изменяются от α₁-30° до α₁-0°;
- угол β водоотделяющих кромок на всей длине бортовых скегов β = 90°.

В эксперименте для этого получено снижение сопротивления на 20% во всем диапазоне эксплуатационных скоростей.

Пример 2.

Универсальное сухогрузное судно с характеристиками по примеру 1 оборудовано жестко установленными на днище бортовыми скегами в виде наклонных выступов с параметрами:
- L₁/L₂=0,3;
- угол α переменный от 18^o до 0^o;
- угол β переменный от 85^o в носовой части до 45^o к корме судна;
- угол γ выбран равным 5^o.

В эксперименте снижение сопротивления на всем диапазоне эксплуатационных скоростей составило 18%.

Как показали проведенные исследования, указанный технический результат подтверждается, в частности, примерами практической реализации изобретения, при описании которых нецелесообразно повторять в каждом примере общую для них информацию, отраженную в формуле и описании изобретения. Целесообразно привести при описании примеров практического выполнения только количественную информацию, отличающую один пример от другого, которая для удобства сопоставления изложена в таблице.

Для сопоставления возможностей достижения указанного технического результата в каждом из примеров оказалось целесообразным использовать параметр ξ, характеризующий получение более низкого сопротивления движению судна и как результат - сокращение энергозатрат в процессе экспериментального осуществления примеров заявляемого технического решения.

Рассмотрим примеры проведенных исследований, результаты которых достигнуты на основании статической обработки экспериментальных данных. Нижние и верхние значения, отраженные в таблице заявляемых пределов (пример N1 и N2) были получены, преимущественно, исходя из условия приближения параметров ξ к 1,0 (ξ₁ = 1,02; ξ₂ = 1,04), а также с учетом других известных обстоятельств, накладывающих ограничения на заявляемые пределы. В оптимальных примерах N3 и N4 практической реализации заявляемого объекта были достигнуты наиболее высокие значения параметров, ξ₃ = 5,7 и ξ₄ = 3,1. В оптимальных вариантах осуществления заявляемого объекта положительный результат достигался по сравнению с известными судами за счет выбора совокупности конструктивных решений, отраженных в таблице, α_i, β_i, γ_i, обеспечивших максимальную эффективность.

При выходе за нижние (пример N5) и верхние (пример N6) значения заявляемых пределов указанный технический результат, как следует из таблицы ξ не достигает 1,0 и составляет ξ₅ = 0,97 и ξ₆ = 0,98.

Все это в совокупности позволяет получить также дополнительные преимущества, например снижение трудоемкости и металлоемкости при изготовлении, а установка накладных конструкций бортовых скегов и других днищевых элементов обеспечивает улучшение характеристик в части энергообеспечения находящихся в эксплуатации судов за счет модернизации по данному изобретению.

Изобретение может быть использовано как для постройки новых судов водоизмещающего типа преимущественно с цилиндрической вставкой, так и для модернизации находящихся в настоящее время в эксплуатации. Модернизация последних осуществляется путем жесткого крепления к днищу бортовых скегов с водоотделяющими кромками в виде выступов и/или пластин.

Перечисленные признаки отличают предлагаемое техническое решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения требованиям изобретения.

Формула изобретения

1. Судно водоизмещающего типа с воздушной прослойкой под днищем, содержащее корпус, в днище которого образована полость, сообщенная с источником сжатого воздуха и ограниченная бортовыми скегами с водоотделяющими кромками и кормовым замыкающим элементом свода днища, располагаемым между скегами, причем в полости установлен, по меньшей мере, один поперечный редан, нижняя кромка которого не выходит за пределы водоотделяющих кромок бортовых скегов, а место пересечения воотделяющих кромок расположено на диаметральной плоскости судна в носовой его части, отличающееся тем, что водоотделяющая кромка каждого скега расположена по линии каждого из n_i аппроксимируемых элементарных участков, где 1< n_i ≅ 10⁶, которые образуют с диаметральной плоскостью угол α_i, выбираемый в пределах 0°≅ α_i≅ 90°, при этом длина L₁ водоотделяющей кромки по каждому бортовому скегу от места их пересечения в носовой части по отношению к максимальной длине L₂ выбрана в пределах 0,2 ≅ L₁/L₂ < 1,0, а аппроксимируемые элементарные участки водоотделяющих кромок, образованные плоскостями, расположенными в зонах контактов с водой и воздушной полостью, образуют на каждом i-м элементарном участке угол β_i, выбираемый в пределах 30°≅ β_i≅ 170°, причем пересечение водоотделяющих кромок не выходит за место перехода линии киля в форштевень.

2. Судно по п. 1, отличающееся тем, что водоотделяющая кромка каждого скега образует с диаметральной плоскостью угол α_i, постепенно уменьшающийся в направлении от пересечения водоотделяющих кромок в носовой части судна к кормовой его части.

3. Судно по п.1 или 2, отличающееся тем, что бортовые скеги выполнены в виде жестко установленных на днище наклонных выступов с углом наклона γ_i к днищу в сечениях, перпендикулярных кромке, который выбирается в пределах 0°< γ_i≅ 90°.
4. Судно по п. 3, отличающееся тем, что выступы представляет собой пластины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7