Устройство для снижения гидродинамического сопротивления корпуса судна

 

Изобретение относится к водному транспорту и судостроению, касаясь снижения сопротивления корпусов судов. Устройство представляет собой двойную конструкцию с полостью, образованной между внутренней и наружной частями корпуса судна. Наружная часть корпуса судна имеет систему отверстий. В корпусе выполнено, по крайней мере, одно отверстие для непринудительного выхода из полости при движении судна. По меньшей мере одно отверстие расположено на омываемой части корпуса и/или на транце судна. Перед отверстием установлен выступ, когда оно расположено на омываемой части корпуса. Отверстие для выхода воды из полости может быть выполнено с возможностью регулирования его площади. Полость целесообразно разделять на секторы геретичными переборками. Каждый сектор может иметь отверстие для непринудительного выхода воды. Технический результат реализации изобретения заключается в повышении эффективности снижения гидродинамического сопротивления корпуса судна. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области водного транспорта и судостроения и может быть использовано на всех типах судов.

Известно большое количество различных форм и конструкций корпуса судов (см. журнал "Катера и яхты" 167 - 1999 г.; 169 - 1999 г., 170 - 2000 г. изд-во "Судостроение", журнал "Капитан" 2-4 - 1991; 1, 2, 2000 г., изд-во ООО "Капилан-клуб").

Все они имеют большое сопротивление, гак как числа Рейнольдса R_e практически на всех типах судов имеют такие большие величины, что практически вся омываемая площадь корпуса имеет турбулентный пограничный слой, который, как известно, создает сопротивление трения в несколько раз больше в сравнении с ламинарным пограничным слоем.

Известно глиссирующее судно, которое для уменьшения гидродинамического сопротивления имеет поперечный редан стреловидной формы (см. журнал "Катера и яхты", 13, - 1968 г., c. 58, 62, изд-во "Судостроение").

Недостатком данного судна является то, что его гидродинамическое подъемное устройство - редан также имеет турбулентный пограничный слой и соответствующее большое сопротивление.

Известно устройство, предназначенное для реализации способа снижения сопротивления движению плохообтекаемого тела в потоке, которое содержит профилированный эжекционный канал в теле с входным и выходным отверстиями, распределительную полость, соединенную через отверстие с одной стороны с каналом, а с другой стороны имеющую ряд входных отверстий для сообщения с забортной водой (см, патент РФ 2051062, МПК В 63 В 1/34).

Недостатком данного устройства является то, что оно в состоянии несколько уменьшить лишь сопротивление формы и не оказывает практически никакого влияния на уменьшение сопротивления трения. Во-первых, подавляюще большая часть корпуса остается без отсоса пограничного слоя и он остается турбулентным с соответствующим многократным превосходством сопротивления трения в сравнении с ламинарным. Во-вторых, практически исключает ламинаризацию пограничного слоя даже на той площади, которая снабжена отсосом, поскольку в таком случае безотрывность обтекания достигнет зоны выходного отверстия, эжекционного канала и в этой тоне возникнет не пониженное, а повышенное давление, что приведет к прекращению работы устройства, то есть даже в уменьшении сопротивления формы данное устройство имеет значительные ограничения.

Известно устройство дня снижения сопротивления трения корпуса судна, представляющее собой систему внутренних полостей в виде труб, которые снабжены отверстиями с впускными и выпускными клапанами (см. патент РФ 2053924, МПК В 63 Н 11/02).

Недостатком данного устройства является чрезвычайная сложность его клапанной системы и низкая эффективность, обусловленная тем, что оно в состоянии использовать лишь незначительную часть энергии турбулентных пульсаций, большая часть которых продолжает оказывать повышенное, в сравнении с ламинарным пограничным слоем, сопротивление трения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству для снижения сопротивления корпуса судна является устройство, представляющее собой днище с полостью, образованной двойным дном и системой отверстий, через которые под днище нагнетается воздух (см. патент РФ 2108257, МПК В 63 В 1/14).

Недостатком данного устройства является то, что оно требует агрегата, обеспечивающего нагнетание воздуха под днище, соответствующих энергозатрат и имеет низкую эффективность уменьшения сопротивления, обусловленную тем, что малое количество подаваемого воздуха образует под днищем пузырьковую структуру, малоэффективную для цели уменьшения сопротивления трения, а большое количество воздуха требует больших энергозатрат, которые едва восполняются снижением сопротивления трения, достигнутым данным устройством.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности снижения гидродинамического сопротивления корпуса судна.

Поставленная задача решается тем, что устройство для снижения сопротивления корпуса судна, представляющее собой двойную конструкцию с полостью, образованной между внутренней и наружной частями корпуса судна, наружная часть которой имеет систему отверстий, согласно изобретению в корпусе выполнено по крайней мере одно отверстие для непринудительного выхода воды из полости при движении судна, расположенное на омываемой части корпуса и/или на транце, при этом перед отверстием, расположенным на омываемой части корпуса, установлен выступ.

Кроме того, отверстие для выхода воды из полости выполнено с возможностью регулирования его площади.

Полость может быть разделена на секторы герметичными переборками, при этом каждый сектор имеет свое отверстие для непринудительного выхода воды.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показан продольный разрез устройства в варианте глиссирующего судна с двумя поперечными переборками и соответственно тремя поперечными секторами полости, где: 1 - внутренняя герметичная поверхность корпуса судна; 2 - наружная перфорированная поверхность корпуса судна; 3 - полость, образованная внутренней и наружной поверхностями корпуса судна; 4 - выходные отверстия; 5 - выступ; 6 - транец; 7 - поперечные герметичные переборки полости; 8 - распределенные входные отверстия (перфорация).

Омываемая часть корпуса судна представляет собой конструкцию, состоящую из внутренней 1 и наружной 2 поверхностей, между которыми образована полость 3. Наружная поверхность 2 является омываемой поверхностью корпуса судна и имеет систему входных отверстий 8 в виде распределенной по всей ее площади перфорации. На наружной поверхности 2 и на транце 6 выполнены выходные отверстия 4, причем перед отверстиями, расположенными на поверхности 2, установлены выступы 5. Полость 3 разделена па поперечные секторы поперечными герметичными переборками 7. Полость также разделена продольными переборками на продольные секторы (на чертеже не показаны).

При округлой форме кормовой омываемой части корпуса судна отверстие для выхода воды из полости располагается только на омываемой части корпуса судна за выступом (реданом). Выступы могут быть выполнены, например, в виде пустотелого полуконуса.

При глиссирующей форме днища отверстия для выхода воды из полости можно располагать и на транце, в самой нижней его части, при этом функция выступа выполняется самим днищем.

Выходные отверстия на глиссирующих судах в некоторых случаях могут быть расположены одновременно и на транце, и на омываемой поверхности корпуса, а также только па омываемой поверхности. В случае расположения выходных отверстий на омываемой поверхности корпуса глиссирующего судна перед отверстиями устанавливаются выступы так же, как и на водоизмещающем судне.

Выходные отверстия, с целью оптимизации отсоса пограничного слоя в зависимости от режима движения судна, целесообразно выполнять с возможностью регулирования их площади, например, с помощью заслонки.

Выходные отверстия максимально локализованы, то есть количество их должно быть минимальным.

Входные отверстия расположены на всей омываемой поверхности корпуса судна.

Диаметр входных отверстий, определенный по совокупности технологических, эксплуатационных и гидродинамических условий, находится в пределах 1,5-5 мм.

Суммарная площадь входных отверстий, определенная по гидродинамическим условиям, составляет 3-20% от перфорированной площади омываемой поверхности корпуса судна.

Ближайшее расстояние между центрами входных отверстий, определенное но гидродинамическим условиям, составляет 10-50 мм.

Суммарная площадь выходных отверстий, определенная по гидродинамическим условиям, составляет 1/500-1/3000 долю площади омываемой поверхности корпуса судна.

Число Рейнольдса R_е ,определенное по расстоянию между центрами входных отверстии, не должно превышать величину 3•10⁶.

Полость охватывает весь контур омываемой поверхности корпуса судна.

Расстояние между внутренней и наружной поверхностями полости, определенное по совокупности конструктивных, технологических, эксплуатационных и гидродинамических условий, должно составлять 4-100 мм. Меньшие величины относятся к легким глиссирующим судам, большие - к водоизмещающим судам больших водоизмещении.

По условиям обеспечения наиболее выгодного отсасывания пограничного слоя полость должна быть разделена герметичными переборками на секторы с тем, чтобы отличие средних величин коэффициентов гидродинамического давления соседних секторов составляло не более 0,01. Количество переборок и, соответственно, количество секторов, на которые должна быть разделена полость, будет зависеть от типа судна, от его водоизмещения, полноты его обводов, скорости движения, расчетных условий волнения.

Нa глиссирующих судах водоизмещением до 2 тонн с малыми углами килеватости днища (до 10^o), рассчитанных на движение при слабом волнении со скоростью 10-15 м/с, достаточно разделения полости на 9 секторов двумя продольными и двумя поперечными переборками. На глиссирующих судах водоизмещением более 2 тонн с большими углами килеватости днища (более 10^o), рассчитанных на движение со скоростями более 15 м/с, и при значительном волнении, полость может быть разделена на 20 и более секторов четырьмя и более продольными переборками и тремя или более поперечными переборками. При углах килеватости днища более 10^o днище должно быть снабжено продольными реданами, а продольные переборки полости должны проходить по линиям этих реданов. Так как переборки кроме гидродинамических функций будут выполнять функцию ребер жесткости, то на больших водоизмещающих судах их количество будет определяться и большей степени - этой второй функцией, и значительно превосходить их оптимальный гидродинамический минимум. Например, на танкере водоизмещением 200000 тонн количество секторов может составлять несколько десятков тысяч. Данное обстоятельство не только не уменьшает эффект снижения сопротивления, а наоборот, увеличивает его. Кроме того, секторов с герметичными переборками может быть достаточно всего несколько десятков. Свое выходное отверстие должен иметь каждый сектор с герметичными переборками.

Наличие выступа перед выходными отверстиями и расположение их на транце глиссирующего судна обеспечивает при движении судна вытекание части воды из полости через эти отверстия и ее поступление в полость через входные отверстия, расположенные на омываемой поверхности, что и обеспечивает эффект отсоса пограничного слоя и его ламинаризацию.

При значительных изменениях режимов движения судна: водоизмещения, скорости, степени волнения - может оказаться целесообразным выполнять некоторые выходные отверстия с возможностью регулированиях их площади.

По условиям аэрогидродинамики наибольший эффект уменьшения сопротивления трения при отсосе пограничного слоя достигается на пористой поверхности трения. Но для использования на судах конструктивно и технологически исполнение такой поверхности затруднительно и по эксплуатационным условиям практически не пригодно, так как поры будут быстро забиваться плотными микрочастицами, находящимися в воде, поэтому омываемая поверхность корпуса судна выполняется перфорированной.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

При движении судна за выступами 5 и при его выходе на глиссирование за транцем 6 возникает гидродинамическое разрежение, в результате которого часть воды из полости 3 начинает вытекать через отверстия 4. создавая условие для поступления воды в полость 3 через распределенные на омываемой поверхности 2 отверстия 8. Такая циркуляция воды обеспечивает ламинаризацию пограничного слоя практически на всей омываемой поверхности корпуса судна и соответствующее уменьшение сопротивления трения и формы. При выполнении отмеченных в описании условий и соотношений, а именно: входные отверстия распределены на всей омываемой поверхности судна, их диаметр находится в пределах 1,5-5 мм, их суммарная площадь составляет 3-20% от перфорированной площади, ближайшее расстояние между их центрами находится в пределах 10-50 мм, выходные отверстия максимально локализованы, суммарная их площадь составляет 1/500-1/3000 долю площади омываемой поверхности корпуса судна, полость охватывает весь контур омываемой поверхности и разделена на секторы с обеспечением условия, чтобы отличия средних величин коэффициентов гидродинамического давления соседних секторов составляло не более 0,01, а каждый сектор имел свое выходное отверстие - достигается оптимальный эффект снижения сопротивления трения.

Формула изобретения

1. Устройство для снижения сопротивления корпуса судна, представляющее собой двойную конструкцию с полостью, образованной между внутренней и наружной частями корпуса судна, наружная часть которой имеет систему отверстий, отличающееся тем, что в корпусе выполнено, по крайней мере, одно отверстие для непринудительного выхода воды из полости при движении судна, расположенное на омываемой части корпуса и/или па транце, при этом перед отверстием, расположенным на омываемой части корпуса установлен выступ.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что отверстие для выхода воды из полости выполнено с возможностью регулирования его площади.

3. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что полость разделена на секторы герметичными переборками, при этом каждый сектор имеет отверстие для непринудительного выхода воды.

РИСУНКИ

Рисунок 1