Проектные особенности гидродинамических комплексов скоростных судов, в том числе, судов с корпусами из композиционных материалов.
Проектное обоснование гидродинамического комплекса выполняется на основе предварительно разработанной архитектурно – компоновочной схемы судна, расчетов главных размерений, основных составляющих нагрузки масс и определения рационального сочетания характеристик полной массы, мощности и скорости для проектируемого судна, а также координаты расположения центра масс по длине. Часто эти расчеты выполняются на основании анализа базы данных судов – претендентов.
Исследованы гидродинамические комплексы разъездных и промысловых судов из композитов. Проанализированы две независимых базы данных проектов глиссирующих судов из композитов разъездного назначения и три независимых базы данных проектов промысловых судов из композитов. База данных разъездных судов включает:
Базы данных промысловых судов включают проекты промысловых судов из композитов: 74 проекта японской постройки, 35 проектов австралийской постройки, 13 проектов североевропейской постройки длиной от 8 до 24 м.
Задача проектного обоснования гидродинамического комплекса включает следующие подзадачи:
Сложность обводов подводной части корпуса судна в большой степени определяется технологическими возможностями обработки применяемых для изготовления корпуса материалов. Композиты имеют безусловное превосходство над всеми традиционными судостроительными материалами в областях технологии изготовления, и связанному с ними приданию совершенства форм элементам судовой конструкции, включая конфигурацию подводной части, то есть обводы. Поэтому суда из композитов характеризуются наиболее эффективными подсистемами "Гидродинамический комплекс", как в области совершенства форм обтекаемой части корпуса, так и в области шероховатости ее поверхности, практически недостижимыми при изготовлении корпуса судна из традиционных материалов.
Использование композитов в конструкции корпуса скоростных судов позволяет обеспечить компромисс между отдельными группами требований к подсистеме "Корпус":
где V – скорость судна;
D – полная масса судна;
γ – удельный вес воды;
g –ускорение свободного падения.
При движении со скоростями FrD≤1,0 режим движения судна считается водоизмещающим. В диапазоне 1,0≤FrD≤2,5 режим движения судна рассматривается, как переходный. При скоростях больше FrD≥2,5 начинается глиссирование, при FrD≥3,0 режим движения рассматривается, как чистое глиссирование.
Еще одним важным параметром, характеризующим режим глиссирования, является число Фруда по ширине:
где BΘ – ширина корпуса судна на миделе по скуле.
Скоростное судно по мере роста скорости движется в различных гидродинамических режимах: водоизмещающем, переходном, расчетном. Расчетным режимом является режим, определяемый конструктивными особенностями судна. Это может быть глиссирующий режим, режим движения на подводных крыльях, режим движения на статической воздушной подушке, режим движения на динамической воздушной подушке.
С ростом скорости силы гидростатического поддержания, уравновешивающие вес судна, заменяются силами гидродинамического, аэростатического или аэродинамического поддержания. Замена одних сил поддержания другими силами сопровождается ростом сопротивления движению судна и, соответственно, повышением затрат энергии на движение судна.
Наибольшее количество судов из композитов, построенное в мире, в качестве расчетного имеет глиссирующий режим движения, поэтому особенности этого режима движения, применительно к задачам проектирования судов из композитов будут рассмотрены наиболее подробно.
Глиссирующим принято считать судно, которое имеет гидродинамическое поддержание за счет формы соприкасающихся с водой участков корпуса при его движении в размере не менее 50% от полной массы. Остальная часть поддерживается силами плавучести. На некоторых глиссирующих судах доля гидродинамической подъемной силы в поддержании веса судна может достигать 95%.
Рассмотрим развитие обтекания глиссирующего корпуса. На рисунке 1 приведена схема картины обтекания транца глиссирующего корпуса, построенная по данным киносъемки с момента его перехода из режима плавания в режим глиссирования при росте скорости движения, происходящем, примерно, по линейному закону из состояния покоя. Можно увидеть, что в этом нестационарном процессе в начальный момент частицы жидкости стремятся обогнуть острую кромку С (кривая 1). По мере повышения скорости движения модели увеличивается разрежение в районе задней кромки, частицы жидкости не успевают обогнуть ее, следствием чего является наступающий при достаточно большой скорости отрыв жидкости от транца (кривая 2). Образовавшаяся за транцем каверна заполняется воздухом. Перемещение этой каверны за транцем глиссирующего судна является источником отходящих волн, высота которых прямо пропорционально связана с размерами каверны. По мере дальнейшего роста скорости происходит выравнивание потока за транцем, пока глубина каверны не уменьшится и не наступит плавный сход струй жидкости с кромки С (линии 3-5). Момент установления плавного обтекания корпуса соответствует моменту начала устойчивого глиссирования и, следовательно, полному развитию сил ее поддержания, т.е. подъемной силы.
Одновременно со сменой режимов меняется и картина волнообразования при движении судна. Спокойное волнообразование при движении судна на режиме плавания по мере приближения к переходному режиму постепенно сменяется бурным волно- и брызгообразованием, создаваемым носовой частью днища. По мере роста скорости поток воды все больше отрывается вначале от транца, а затем и от бортов судна. Для режима чистого глиссирования характерны сравнительно слабые отходящие волны, но, при этом, из-под днища вырываются сильные струи и брызги. Каждому из описанных процессов обтекания задней кромки корпуса глиссирующего судна соответствует своя система отходящих волн.
Скорость выхода судна на режим глиссирования зависит от формы обводов днищевой части корпуса, мощности двигателей и характеристик движителей. Обычно разгон судна перед выходом на режим глиссирования сопровождается возрастанием угла атаки днищевой поверхности, притапливанием кормы, интенсивным брызгообразованием и временным резким повышением сопротивления, отражающимся на графиках в виде так называемого "горба" кривой сопротивления.
Устойчивое движение в режиме глиссирования, когда сопротивление воды снижается благодаря существенному сокращению смоченной поверхности корпуса и уменьшению затрат мощности на волнообразование, обеспечивается необходимым положение центра тяжести судна (так называемой центровкой), правильным выбором формы глиссирующей поверхности и характеристик движителей.
Вначале рассмотрим особенности гидродинамики глиссирующего судна. Сопротивление воды движению глиссирующего судна слагается из сопротивления трения и сопротивления давления, а характерные особенности изменения составляющих сопротивления глиссирующих судов по сравнению с водоизмещающими судами заключаются в следующем:
При глиссировании, как и в режиме плавания, сопротивление трения, обусловленное силами, касательными к смоченной поверхности составляет значительную часть от общего сопротивления. Доля сопротивления трения в общем сопротивлении в зависимости от режима движения составляет от 20 до 85%, причем с ростом относительной скорости доля сопротивления трения увеличивается. Поэтому поверхности корпусов судов из композитов, имеющие минимальную шероховатость, существенно выигрывают в части сопротивлении трения у корпусов из традиционных материалов.
Соотношение между величинами сопротивления формы и сопротивления трения существенным образом зависит от величины коэффициента статической нагрузки. Известно, что с уменьшением коэффициента статической нагрузки доля сопротивления трения в общем гидродинамическом сопротивлении при одинаковых относительных скоростях возрастает.
В настоящее время отсутствуют формулы для расчета остаточного сопротивления глиссирующих судов, основными составляющими которого являются брызговое и волновое сопротивление. Поэтому определение гидромеханических характеристик глиссирующих судов основано, как на эксперименте с моделями в опытовом бассейне, так и на обработке результатов эксплуатации судов – прототипов. При переносе результатов испытаний моделей на натурные суда должны соблюдаться законы подобия, которые обеспечат правильный подход. Оптимизация при проектировании судна из композитов, помимо обеспечения наилучших характеристик шероховатости корпуса, включает проектирование гидродинамического комплекса, имеющего минимальное волновое сопротивление, а также оптимальные характеристики движительно – рулевого комплекса.
На рисунке 2 приведен график для выбора типа обводов скоростного судна. На графике представлены зависимость длины судна L от абсолютной скорости V и зависимость обратного качества ε от числа Фруда по водоизмещению FrD при различных значениях удлинения.
В результате анализа существующих материалов по сопротивлению глиссирующих судов и судов, движущихся в переходном режиме (1≤FrD≤3) на тихой воде, могут быть предложены следующие проектные обоснования по выбору формы обводов судов этого типа в зависимости от режима движения.
При FrD≤2,5, когда преобладают гидростатические силы поддержания, оптимальными по сопротивлению на тихой воде являются круглоскулые обводы корпуса.
При более высоких относительных скоростях движения FrD>2,5 целесообразно применять смешанные (острая скула в корме и лекальные обводы в носу) и остроскулые образования корпуса (безреданные и реданные). Смешанные обводы корпуса рациональны при движении в диапазоне скоростей 2,5≤FrD≤3 при носовых центровках и малых значениях коэффициента статической нагрузки.
В практике отечественного скоростного судостроения разработаны совершенные методы различных гидродинамических расчетов скоростных судов. Для разработки расчетного метода определения сопротивления судов с круглоскулыми обводами, движущихся в переходном режиме при FrD≤2,5, используются результаты модельных испытаний серии моделей Н.С. Володина.
Круглоскулые обводы в настоящее время для глиссирующих судов применяются крайне редко. Это связано с поперечным распределением давлений по днищу судна при глиссировании. На острых кромках скулы при этом возникает перепад гидродинамического давления. При скругленной скуле и перепад давления у скул становится плавным. Вода не отрывается от кромки скулы, а поднимается вверх по корпусу и замывает борта. Потери гидродинамической подъемной силы прямо пропорциональны радиусу скругления скулы. Поэтому круглоскулые обводы чаще применяются для судов переходного режима. Основным достоинством круглоскулых обводов при плавании на волнении является меньшие ударные нагрузки на днище и более плавная качка, чем у судов с остроскулыми обводами при аналогичных условиях эксплуатации. Круглоскулые обводы корпуса, как правило, дополняются скуловым брызгоотбойником, уменьшающим замывание скуловых участков днища. Для более высоких относительных скоростей движения применяются комбинированные обводы, когда в носовой части корпус выполняется с обводами круглоскулого типа в сочетании с глиссирующим участком с острой скулой в корме. Основными достоинствами круглоскулых обводов являются умеренные углы внешнего крена при поворотах и циркуляции и сниженные нагрузки при движении на волнении.
При отработке обводов вновь проектируемых глиссирующих судов используются результаты испытаний систематических серий моделей БК глиссирующих судов большого водоизмещения, испытаний систематических серий моделей МБК глиссирующих судов малого водоизмещения, а также результаты экспериментального исследования сопротивления моделей серии Клемента и Блаунта.
Безразмерные гидродинамические параметры, характеризующие форму обводов, нагрузку и центровку судна определяются следующим образом. К группе безразмерных гидродинамических параметров, характеризующих форму обводов, нагрузку и центровку судна относятся:
На предварительном этапе проектирования величина коэффициента статической нагрузки для скоростных судов небольшого водоизмещения принимается в пределах CD=0,15-0,35, а минимум сопротивления наблюдается при значениях CD=0,23-0,27. Для судов большего водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимальных значений коэффициента статической нагрузки в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рисунке 3 сверху слева.
Величина относительной центровки глиссирующего судна определяется формулой:
где xg – абсцисса центра масс от транца;
Lск – длина корпуса по скуле.
Особенности современных обводов глиссирующих судов из композитов, включая их посадку в водоизмещающем состоянии с построечным дифферентом, определяют дополнительные трудности в определении расчетной длины L и ширины корпуса B. Поэтому значения расчетной длины и ширины корпуса должны быть проверены по граничным условиям для глиссирующих судов. На предварительном этапе проектирования величина относительной центровки для судов малого водоизмещения принимается в пределах xg=0,31- 0,42. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимальных центровок в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рис. 3 справа сверху.
В то же время, в первом приближении без большого ущерба для точности можно принять Lск≈0,94-0,96L, где L – длина по палубе, поэтому по общему правилу на начальном этапе проектирования положение центра масс по длине от транца должно удовлетворять условию:
Величина относительной длины глиссирующего корпуса определяется по формуле:
Важной особенностью современных глиссирующих обводов является Δ – видная форма корпуса в плане, обусловливающая смещение наибольшей ширины корпуса к транцу. При этом в первом приближении без большого ущерба для точности можно принять Bск≈B. С учетом изложенного выше относительная длина глиссирующего судна определяется величиной его удлинения:
На предварительном этапе проектирования величина относительной длины для судов малого водоизмещения принимается в пределах l=2,5-3,75. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимальной относительной длины в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рис. 3 слева снизу.
На предварительном этапе проектирования величина угла внешней килеватости на миделе для судов небольшого (до 15 т) водоизмещения принимается в пределах βΘ=7-25о угол внешней килеватости на транце βТ =0-21о. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимального угла внешней килеватости на миделе в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рисунке 3. справа снизу.
На предварительном этапе проектирования величина сужения кормовой оконечности для судов малого водоизмещения принимается в пределах BΘ/BТ =0,65-0,95.
Проводились опыты по определению гидродинамических характеристик плоскокилеватых профилей, форма поперечных сечений которых близка к форме днища глиссирующих судов в районе мидель-шпангоута или редана. Форма профиля оказывает значительное влияние на гидродинамические характеристики обводов. С целью улучшения мореходных качеств глиссирующих судов профили выбирают килеватыми с искривлением у скул. Таким образом, достигается компромиссное решение – получение хороших мореходных и ходовых качеств.
У профилей днища глиссирующих судов углы килеватости β≈6÷10. У судов, предназначенных для эксплуатации в условиях волнения угол килеватости как правило, β>10°.
У цилиндрических профилей при одинаковых углах атаки и нагрузках на воду сопротивление формы одинаковое, и оно равно ?tgφ. Профили разных типов различаются по значению моментов и сопротивлению трения за счет разницы в площадях смоченных участков. В зависимости от формы профиля величина подъемной силы меняется; например, для плоскокилеватых профилей она меньше, чем для плоских. При заданных нагрузке на воду и угле атаки изменение динамической реакции в зависимости от формы профиля выразится в большем или меньшем изменении осадки, что приведет к уменьшению или увеличению смоченных площадей и моментов. Полное сопротивление изменится за счет трения пропорционального смоченной площади.
Гидродинамические характеристики плоскокилеватых профилей отличаются от характеристик плоских пластин даже при малых значениях углов килеватости. С ростом угла килеватости уменьшается величина динамической подъемной силы, увеличивается осадка профиля и возрастает сопротивления трения (рис. 4).
Брызгообразование у плоскокилеватых профилей при движении в режиме глиссирования хуже, чем у плоских профилей, а высота подъема и общее количество вытесняемой у бортов воды больше.
При оптимальных Св и φ гидродинамическое качество К при малых β почти пропорционально изменению углов килеватости. Оптимальное значение коэффициентов динамической нагрузки увеличивается с ростом углов килеватости (рис. 5).
Сопротивление трения брызговой струи при глиссировании килеватых пластин может, в отличие от плоских пластин, прибавиться к трению основного потока, так как брызговые струи направлены не только вперед, но также вбок и назад.
Приближенно определить гидродинамические характеристики килеватых профилей можно методом, приведенным выше для плоских пластин, вводя поправку на изменение угла хода и смоченной площади, предложенную И.П. Любомировым.
Различия в геометрической форме течений, возникающих при движении глиссирующих пластин с прямой и обратной килеватостью, весьма существенны. Течение около обычной килеватой пластины складывается из брызговых струй, выбрасываемых вперед по ходу движения и в направлении бортов из течения вдоль основной смоченной поверхности и из бортовых струй, отбрасываемых назад и сходящихся за транцем пластины с образованием волновой впадины и брызгового "фонтана". При движении обратнокилеватой пластины картина течения несколько иная. Прежде всего, отсутствуют столь характерные для глиссирующих судов развитые брызговые струи. Это объясняется тем, что брызговые пелены, поднимающиеся вдоль каждой из граней днища от бортов к диаметральной плоскости, смыкаясь, образуют одну, обратную по отношению к направлению движения неустойчивую брызговую струю, которая быстро разрушается. Образующаяся при этом пена, а также некоторое количество воздуха, захватываемого при движении под днище, просасываются вдоль киля, формируя узкую (до 10-15 % общей ширины пластины) пенную дорожку, которая за транцем постепенно рассеивается.
Применение скуловых накладок для плоскокилеватых профилей приводит к существенному уменьшению сопротивления, моментов и смоченных площадей (рис. 6). При этом уменьшается брызгообразование профилей. Отражая воду вниз скуловые накладки уменьшают брызгообразование вокруг корпуса. При наличии скуловых накладок увеличивается давление у скул по сравнению с плоскокилеватым профилем; при заданной нагрузке на воду увеличение подъемной силы выражается в уменьшении смоченной площади и сопротивления трения. Рациональные параметры скуловой накладки в зависимости от углов поперечной килеватости определяются следующими соотношениями: δн=90°+β°; rн≈0,02В; вн=(0,02÷0,03)В, где δ – угол скоса накладки; rн - высота накладки; вн - ширина накладки.
Профили со скуловыми накладками теряют свои преимущества при больших значениях коэффициента динамической нагрузки и с момента выхода на режим движения на треугольнике. В этих случаях при одной и той же килеватости характеристики таких профилей будут мало отличаться от характеристик обычных плоскокилеватых профилей.
Подъемная сила лекальных профилей и профилей с туннелями благодаря повороту воды в местах кривизны и тому, что края днищевой поверхности у борта становятся плоскими, возрастает по сравнению с плоскокилеватыми профилями. В некоторых случаях, сопротивление профилей этого типа меньше, чем у плоской пластины. На рисунке 1.4.7 представлено сопоставление гидродинамических характеристик для плоской пластины и профиля с туннелем и углом внешней килеватости β=5°.
Отрыва потока от бортов на скулах при движении обратнокилеватой пластины не происходит. Сходящие с боротов струи ниже по потоку, по мере удаления от транца, как бы закручиваются внутрь "волновой впадины", а затем, соударяясь, образуют брызговой "фонтан". Термин "брызговая впадина" по отношению к обратнокилеватой поверхности не вполне корректен, так как поверхность образующаяся при глиссировании за транцем и ограниченная бортовыми струями, имеет сложную форму: выпуклую в средней части и вогнутую по краям.
Плоскодонные обводы могут применяться при достаточно низкой энерговооруженности судна за счет небольшого волнового сопротивления и малой высоты отходящих волн.
Чрезвычайно серьезной проблемой для глиссирующих судов является возможность поддержания ими высокой скорости на взволнованной водной поверхности. Известно, что движущееся по волнам на большой скорости глиссирующее судно будет испытывать тяжелые удары о воду днищевой частью (слемминг) при встречном волнении, забрасывание или захват кормовой части (брочинг) и рыскание при попутном волнении или при ходе косым курсом к волне. Удары о волну и зарывание в нее, сопровождающееся сильным брызгообразованием, обычно резко понижают скорость хода судна, могут нанести повреждения его корпусу и оборудованию, создают труднопереносимые условия для экипажа и пассажиров. Выход глиссирующего судна из расчетного режима сопровождается повышенным волнообразованием.
Существенным недостатком плоскодонных обводов являются сильные вертикальные ускорения при движении при взволнованной поверхности и связанные с ними повышенные ударные нагрузки на днищевое перекрытие, а также значительный внешний крен на поворотах. Это ограничивает применение плоскодонных глиссирующих корпусов в основном на спортивных гоночных скоростных судах для акваторий, закрытых от волн. Наиболее эффективным путем снижения ударных перегрузок является увеличение угла килеватости днища. При его увеличении, например, с 0 до 10° сила удара снижается более чем в 1,5 раза. Устойчивость движения малокилеватого глиссирующего корпуса определяется положением центра тяжести по длине судна.
При постоянной нагрузке и в условиях гладкой воды или небольшого волнения максимальным гидродинамическим качеством при глиссировании обладает корпус малой килеватости, имеющий необходимую ширину по скуле и оптимальное положение центра тяжести с необходимым дифферентом. Глиссирование корпусов с малой килеватостью, также, возможно при относительно небольших значениях энерговооруженности. Величина гидродинамического качества у корпусов с малой килеватостью может достигать K = 10.
Обводы корпусов судов из композитов, характеризуются большим разнообразием. Наиболее характерные типы обводов приведены в таблице 1.
Несмотря на практически безграничные возможности формообразования корпусов судов из композитов в последние десятилетия произошла определенная унификация их обводов. Из всего разнообразия обводов глиссирующих судов в настоящее время наибольшее распространение получили обводы типа "глубокое "V" в сочетании с продольными реданами. Они дополняются различными модификациями обводов типа "морские сани" или "тримаран" на катерах малых размеров, как правило, длиной не более 6 м, (например семейство катеров типа "Бостонский китобой").
Как было сказано выше, на современных судах из композитов разъездного назначения широкое распространение получили обводы типа "глубокое "V" и их различные модификации. Это тип обводов глиссирующего корпуса с повышенной килеватостью днища (до 20 градусов и более) от миделя до транца в сочетании с продольными реданами.
Такие обводы обеспечивают достаточно комфортабельный ход на волнении с минимальной потерей скорости и сниженными динамическими нагрузками на корпусные конструкции. При повышении скорости движения судна при разгоне в результате возникновения подъемной силы на плоских участках днища происходит постепенный подъем корпуса судна из воды. При этом уменьшается площадь смоченной поверхности днища и одновременно появляется определенный угол ходового дифферента.
Несмотря на существенное снижение гидродинамического качества килеватых глиссирующих корпусов по отношению к плоскодонным корпусам, они получили широкое распространение из-за лучших мореходных качеств. Благодаря почти одинаковым поперечным профилям днища в носу и корме катера с обводами типа "Глубокое "V" отличаются хорошей устойчивостью на курсе при плавании с попутной волной, малым дрейфом на циркуляции и плавностью качки.
К недостаткам обводов типа "глубокое "V" следует отнести большое сопротивление в начальный момент движения и большие затраты времени на разгон до выхода на режим чистого глиссирования. Для улучшения стартовых характеристик и обеспечения оптимального ходового дифферента на режиме разгона, как правило, используются транцевые плиты и продольные реданы на днище.
Еще одним недостатком этого типа обводов является пониженная начальная остойчивость, как на стоянке, так и на ходу. Для повышения остойчивости иногда устраиваются днищевые балластные цистерны, автоматически опорожняемые при выходе судна на расчетный режим. Для повышения остойчивости при глиссировании обеспечивается увеличение смоченной поверхности корпуса в кормовой оконечности за счет обрыва продольных реданов на некотором расстоянии от транца. В некоторых типах модификаций обводов типа "глубокое "V" используются бортовые наделки - спонсоны, расположенные на ходу над водой и касающиеся поверхности воды при крене.
Непременной деталью корпуса с обводами типа "глубокое "V" являются продольные реданы - призмы треугольного сечения с горизонтальной нижней гранью и острой свободной кромкой. На каждой половине днища обычно устанавливают по два или по три редана. Главный эффект реданов заключается в отсечении от днища потоков воды, растекающихся от киля к бортам. В результате их действия уменьшается смоченная поверхность корпуса, на реданах создается дополнительная подъемная сила, что в совокупности повышает гидродинамическое качество корпуса.
Благодаря продольным реданам осуществляется автоматическое регулирование смоченной поверхности корпуса в зависимости от скорости судна. Продольные реданы повышают остойчивость судна, демпфируют бортовую и продольную качки. На ходу при резком крене на реданах накрененного борта возникает дополнительная подъемная сила, которая препятствует дальнейшему увеличению крена. Продольные реданы существенно повышают устойчивость судна на курсе и в то же время сокращают радиус циркуляции. Это происходит благодаря работе боковых граней реданов, которые при боковом смещении - дрейфе от ветра, волны или на повороте действуют подобно килям. Положительные качества реданов в полной мере проявляются лишь при достаточно высоких скоростях. На малой скорости и при разгоне сопротивление воды вследствие увеличенной смоченной поверхности корпуса с реданами оказывается выше, чем у судна с гладким днищем. Кроме того, их эффективность зависит от угла килеватости днища. Существует и негативный эффект продольных реданов на высокоскоростных судах. При движении по волнению на плоских поверхностях реданов возникают концентрации давления, вследствие чего на корпус действуют повышенные ударные нагрузки, вследствие чего общая ширина продольных реданов не должна превышать 3% ширины днища в каждом сечении.
Для повышения гидродинамического качества обводов типа "глубокое "V" разработаны и широко используются их различные модификации. Одной из них является вариант объединения обводов типа "глубокое "V" с гидролыжей, расположенной в килевой части корпуса от миделя до транца. Поверхность гидролыжи имеет вид вытянутой вдоль корпуса трапеции. Благодаря этому корпус обладает большей устойчивостью глиссирования и меньшей чувствительностью к изменению дифферента и положения центра масс. Суда, имеющие обводы с гидролыжей, способны развивать большую скорость, чем при обычных плоско - килеватых обводах, обладают большей комфортабельностью при ходе на волнении, имеют меньший диаметр циркуляции. Использование гидролыж более чем в два раза снижает вертикальные перегрузки судна при движении на волнении.
Кроме того, при движении с достаточно высокими скоростями (FrD≥5,0) корпуса судов с гидролыжами имеют более высокое гидродинамическое качество, чем суда без гидролыж, вследствие оптимальной посадки.
Глиссирующие обводы типа «тримаран» и «морские сани» на скоростях движения при FrD≤2,5 имеют худшее гидродинамическое качество, чем остроскулые безреданные обводы, однако существенно превосходят их с точки зрения мореходных качеств. Этот тип обводов характеризуется уменьшенным брызгообразованием при движении. При больших скоростях гидродинамическое качество возрастает, а вертикальные перегрузки на волнении становятся сопоставимы с остроскулыми обводами.
На промысловых судах из композитов европейского типа до настоящего времени достаточно ограниченно применяются круглоскулые глиссирующие обводы в сочетании с остроскулыми обводами в кормовой части корпуса и брызгоотбойниками, идущими по всей длине корпуса. Как было сказано выше, на скоростях при FrD≤2,5, когда преобладают гидростатические силы поддержания, оптимальными по сопротивлению на тихой воде являются именно круглоскулые обводы корпуса. При более высоких относительных скоростях FrD≥2,5 целесообразно применять смешанные (лекальные обводы в носу и острая скула в корме) и остроскулые образования корпуса (реданные и безреданные). Смешанные обводы корпуса рациональны при движении в диапазоне скоростей 2,5≤FrD≤3,0 при носовых центровках (Xg≥0,40) и малых значениях коэффициента статической нагрузки (CD≥0,50).
Однако и на промысловых судах из композитов, особенно, североевропейского типа обводы типа «глубокое «V» получают все более широкое распространение. Для промысловых судов этот тип обводов характеризуется уменьшенным углом килеватости в корме. (рис. 9)
Практика проектирования современных гидродинамических комплексов судов из композитов предусматривает широкое использование как традиционных, так и активных видов движителей. В настоящее время на судах из композиционных материалов применяются следующие типы движителей:
Поворотно-откидные колонки применяются, в основном, на судах из композитов длиной до 10 метров. Также они имеют ограниченное применение на скоростных промысловых судах несколько больших размеров типа тунцеловных. Они располагаются на транце судна и представляют собой совмещенный движительно – рулевой комплекс. Они обеспечивают судну высокие маневренные качества. Для преобразования большей мощности на ряде поворотно-откидных колонок применяются соосные винты. Существенным недостатком поворотно-откидных колонок является близкое к поверхности расположение винтов, что при килевой качке приводит к их обнажению с одновременной потерей упора. Возможно развитие кавитации на лопастях винтов и отдельных элементах колонки при определенных условиях.
Этого недостатка лишены поворотные колонки с тянущими винтами. Они не получили пока достаточно широкого распространения, однако представляют собой перспективный тип движительно – рулевого комплекса. Поворотные колонки также обеспечивают судну очень высокие маневренные качества. Они располагаются на днище судна недалеко от транца. Для преобразования большей мощности на ряде поворотных колонок применяются соосные винты. Недостатком поворотных колонок является достаточно большая осадка судна, оснащенного таким комплексом и высокая вероятность его повреждения, а также места его прикрепления к корпусу при касании грунта, что часто происходит при эксплуатации скоростного судна в условиях ограниченных глубин.
Водометные движители на судах из композиционных материалов получили ограниченное применение. Это обусловлено существенно более высокой сложностью и стоимостью привода, а также достаточно большими техническими трудностями и потребностью в дополнительном объеме для размещения водомета в корпусе судна. Известное преимущество водомета, как движителя судна, работающего в условиях очень малых глубин, нивелируется существенными повреждениями, получаемыми корпусом из композитов при касании грунта на больших скоростях. Поэтому суда из композитов мало используются для эксплуатации в условиях ограниченных глубин. Известно, что водометные движители уступают по коэффициенту полезного действия гребным винтам в диапазоне скоростей до 50-60 узлов, но при больших скоростях, когда к.п.д. гребных винтов снижается из-за кавитации, водометные движители, рабочие колеса которых не кавитируют, оказываются более эффективными. Соотношение всех этих соображений предопределило сегмент применения водометных движителей на судах из композитов: это достаточно дорогие высокоскоростные глиссирующие суда, эксплуатирующиеся в условиях открытого моря.
Проектное обоснование использования водометов в проекте судна самым непосредственным образом связано с оценкой возможности их размещения в корпусе судна. Для правильной оценки этой возможности необходимо знать диаметр водовода Dвдв. Оценку компоновочных возможностей размещения водовода водометного движителя внутри корпуса судна можно производить с использованием формулы В.М. Лаврентьева для определения оптимального диаметра рабочего колеса водомета с увеличением его на величину коэффициента, учитывающего изменение геометрии водовода на всасывающей части и толщину его стенок:
где Pe – упор водомета;
Dрк –диаметр рабочего колеса;
Dвдв –диаметр водовода;
n – частота вращения рабочего колеса;
ρ – плотность воды.
Для решения компоновочных задач упор водомета может быть рассчитан по формуле:
За частоту вращения рабочего колеса n может быть принята частота вращения двигателя для водометов, предназначенных для преобразования мощности до 350 КВт, и частота вращения на фланце реверс-редуктора двигателя для водометов, предназначенных для преобразования мощности свыше 350 КВт.
В случае невозможности размещения в корпусе судна водовода водомета (или водометов) целесообразно рассматривать вопрос о применении на судне частично погруженных винтов – приводов Арнесона. Привод Арнесона – это движительный комплекс, позволяющий управлять судном, обеспечивает оптимальные параметры работы суперкавитирующего полупогруженного гребного винта быстроходных судов. В нем вал гребного винта помещен в трубообразном корпусе и оснащен карданным шарниром и подшипником, воспринимающим упор винта. Корпус привода Арнесона крепится фланцем к транцу судна, а его подвижная часть подвешивается к транцу системой гидроцилиндров, позволяющей поворачивать корпус в вертикальной плоскости в пределах до 15° - оптимизируя заглубление винта, а также в горизонтальной плоскости до 40° - для управления курсом судна. При этом он также выполняет функции руля путем поворота гребного вала с винтом относительно корпуса судна. Корпус привода располагается на транце таким образом, чтобы на расчетных скоростях движения привод выходил из воды и не создавал сопротивления. Защитный плавник, который крепится к корпусу, на малых скоростях помогает управлять судном, играя роль пера руля, а на больших – не мешает его движению, так как всегда сориентирован вдоль набегающего потока. Управление судном осуществляется непосредственно поворотом оси упора винта, что позволяет значительно уменьшить радиус циркуляции судна, то есть улучшаются маневренные качества судна.
Проектное обоснование гидродинамического комплекса выполняется на основе предварительно разработанной архитектурно – компоновочной схемы судна, расчетов главных размерений, основных составляющих нагрузки масс и определения рационального сочетания характеристик полной массы, мощности и скорости для проектируемого судна, а также координаты расположения центра масс по длине. Часто эти расчеты выполняются на основании анализа базы данных судов – претендентов.
Исследованы гидродинамические комплексы разъездных и промысловых судов из композитов. Проанализированы две независимых базы данных проектов глиссирующих судов из композитов разъездного назначения и три независимых базы данных проектов промысловых судов из композитов. База данных разъездных судов включает:
- 274 проекта разъездных судов стран Европы, Америки и Азии из открытых источников;
- 363 проекта разъездных судов стран Европы, Америки и Азии из базы данных Российского Речного Регистра.
Базы данных промысловых судов включают проекты промысловых судов из композитов: 74 проекта японской постройки, 35 проектов австралийской постройки, 13 проектов североевропейской постройки длиной от 8 до 24 м.
Задача проектного обоснования гидродинамического комплекса включает следующие подзадачи:
- определение безразмерных гидродинамических параметров, характеризующих форму обводов, нагрузку и центровку судна;
- выбор гидродинамической компоновки, включая выбор типа обводов и выбор типа движителя.
Сложность обводов подводной части корпуса судна в большой степени определяется технологическими возможностями обработки применяемых для изготовления корпуса материалов. Композиты имеют безусловное превосходство над всеми традиционными судостроительными материалами в областях технологии изготовления, и связанному с ними приданию совершенства форм элементам судовой конструкции, включая конфигурацию подводной части, то есть обводы. Поэтому суда из композитов характеризуются наиболее эффективными подсистемами "Гидродинамический комплекс", как в области совершенства форм обтекаемой части корпуса, так и в области шероховатости ее поверхности, практически недостижимыми при изготовлении корпуса судна из традиционных материалов.
Использование композитов в конструкции корпуса скоростных судов позволяет обеспечить компромисс между отдельными группами требований к подсистеме "Корпус":
- форму обводов, необходимую плавность их линий и поверхностей, а также шероховатость наружной обшивки, обусловленные требованиями взаимосвязей с подсистемой "Гидродинамический комплекс";
- ограничения по массе корпуса, связанные с рациональным соотношением характеристик мощности, полной массы и скорости судна;
- обеспечение прочности и жесткости корпусных конструкций при действии эксплуатационных нагрузок, в том числе, предотвращение резонансных вибраций;
- обеспечение необходимых экономических параметров изготовления и обеспечения жизненного цикла судовой корпусной конструкции.
 |
где V – скорость судна;
D – полная масса судна;
γ – удельный вес воды;
g –ускорение свободного падения.
При движении со скоростями FrD≤1,0 режим движения судна считается водоизмещающим. В диапазоне 1,0≤FrD≤2,5 режим движения судна рассматривается, как переходный. При скоростях больше FrD≥2,5 начинается глиссирование, при FrD≥3,0 режим движения рассматривается, как чистое глиссирование.
Еще одним важным параметром, характеризующим режим глиссирования, является число Фруда по ширине:
 |
где BΘ – ширина корпуса судна на миделе по скуле.
Скоростное судно по мере роста скорости движется в различных гидродинамических режимах: водоизмещающем, переходном, расчетном. Расчетным режимом является режим, определяемый конструктивными особенностями судна. Это может быть глиссирующий режим, режим движения на подводных крыльях, режим движения на статической воздушной подушке, режим движения на динамической воздушной подушке.
С ростом скорости силы гидростатического поддержания, уравновешивающие вес судна, заменяются силами гидродинамического, аэростатического или аэродинамического поддержания. Замена одних сил поддержания другими силами сопровождается ростом сопротивления движению судна и, соответственно, повышением затрат энергии на движение судна.
Наибольшее количество судов из композитов, построенное в мире, в качестве расчетного имеет глиссирующий режим движения, поэтому особенности этого режима движения, применительно к задачам проектирования судов из композитов будут рассмотрены наиболее подробно.
Глиссирующим принято считать судно, которое имеет гидродинамическое поддержание за счет формы соприкасающихся с водой участков корпуса при его движении в размере не менее 50% от полной массы. Остальная часть поддерживается силами плавучести. На некоторых глиссирующих судах доля гидродинамической подъемной силы в поддержании веса судна может достигать 95%.
Рассмотрим развитие обтекания глиссирующего корпуса. На рисунке 1 приведена схема картины обтекания транца глиссирующего корпуса, построенная по данным киносъемки с момента его перехода из режима плавания в режим глиссирования при росте скорости движения, происходящем, примерно, по линейному закону из состояния покоя. Можно увидеть, что в этом нестационарном процессе в начальный момент частицы жидкости стремятся обогнуть острую кромку С (кривая 1). По мере повышения скорости движения модели увеличивается разрежение в районе задней кромки, частицы жидкости не успевают обогнуть ее, следствием чего является наступающий при достаточно большой скорости отрыв жидкости от транца (кривая 2). Образовавшаяся за транцем каверна заполняется воздухом. Перемещение этой каверны за транцем глиссирующего судна является источником отходящих волн, высота которых прямо пропорционально связана с размерами каверны. По мере дальнейшего роста скорости происходит выравнивание потока за транцем, пока глубина каверны не уменьшится и не наступит плавный сход струй жидкости с кромки С (линии 3-5). Момент установления плавного обтекания корпуса соответствует моменту начала устойчивого глиссирования и, следовательно, полному развитию сил ее поддержания, т.е. подъемной силы.
 |
Одновременно со сменой режимов меняется и картина волнообразования при движении судна. Спокойное волнообразование при движении судна на режиме плавания по мере приближения к переходному режиму постепенно сменяется бурным волно- и брызгообразованием, создаваемым носовой частью днища. По мере роста скорости поток воды все больше отрывается вначале от транца, а затем и от бортов судна. Для режима чистого глиссирования характерны сравнительно слабые отходящие волны, но, при этом, из-под днища вырываются сильные струи и брызги. Каждому из описанных процессов обтекания задней кромки корпуса глиссирующего судна соответствует своя система отходящих волн.
Скорость выхода судна на режим глиссирования зависит от формы обводов днищевой части корпуса, мощности двигателей и характеристик движителей. Обычно разгон судна перед выходом на режим глиссирования сопровождается возрастанием угла атаки днищевой поверхности, притапливанием кормы, интенсивным брызгообразованием и временным резким повышением сопротивления, отражающимся на графиках в виде так называемого "горба" кривой сопротивления.
Устойчивое движение в режиме глиссирования, когда сопротивление воды снижается благодаря существенному сокращению смоченной поверхности корпуса и уменьшению затрат мощности на волнообразование, обеспечивается необходимым положение центра тяжести судна (так называемой центровкой), правильным выбором формы глиссирующей поверхности и характеристик движителей.
Вначале рассмотрим особенности гидродинамики глиссирующего судна. Сопротивление воды движению глиссирующего судна слагается из сопротивления трения и сопротивления давления, а характерные особенности изменения составляющих сопротивления глиссирующих судов по сравнению с водоизмещающими судами заключаются в следующем:
- сопротивление трения существенно зависит от площади смоченной поверхности судна, резко изменяющейся с изменением его скорости;
- сопротивление давления при фиксированной нагрузке в основном определяется углом ходового дифферента и связано не только с образованием волн, но и с появлением брызговой струи под действием значительных градиентов давления на участках глиссирующей поверхности, соприкасающейся с возмущенной поверхностью воды.
При глиссировании, как и в режиме плавания, сопротивление трения, обусловленное силами, касательными к смоченной поверхности составляет значительную часть от общего сопротивления. Доля сопротивления трения в общем сопротивлении в зависимости от режима движения составляет от 20 до 85%, причем с ростом относительной скорости доля сопротивления трения увеличивается. Поэтому поверхности корпусов судов из композитов, имеющие минимальную шероховатость, существенно выигрывают в части сопротивлении трения у корпусов из традиционных материалов.
Соотношение между величинами сопротивления формы и сопротивления трения существенным образом зависит от величины коэффициента статической нагрузки. Известно, что с уменьшением коэффициента статической нагрузки доля сопротивления трения в общем гидродинамическом сопротивлении при одинаковых относительных скоростях возрастает.
В настоящее время отсутствуют формулы для расчета остаточного сопротивления глиссирующих судов, основными составляющими которого являются брызговое и волновое сопротивление. Поэтому определение гидромеханических характеристик глиссирующих судов основано, как на эксперименте с моделями в опытовом бассейне, так и на обработке результатов эксплуатации судов – прототипов. При переносе результатов испытаний моделей на натурные суда должны соблюдаться законы подобия, которые обеспечат правильный подход. Оптимизация при проектировании судна из композитов, помимо обеспечения наилучших характеристик шероховатости корпуса, включает проектирование гидродинамического комплекса, имеющего минимальное волновое сопротивление, а также оптимальные характеристики движительно – рулевого комплекса.
На рисунке 2 приведен график для выбора типа обводов скоростного судна. На графике представлены зависимость длины судна L от абсолютной скорости V и зависимость обратного качества ε от числа Фруда по водоизмещению FrD при различных значениях удлинения.
 |
В результате анализа существующих материалов по сопротивлению глиссирующих судов и судов, движущихся в переходном режиме (1≤FrD≤3) на тихой воде, могут быть предложены следующие проектные обоснования по выбору формы обводов судов этого типа в зависимости от режима движения.
При FrD≤2,5, когда преобладают гидростатические силы поддержания, оптимальными по сопротивлению на тихой воде являются круглоскулые обводы корпуса.
При более высоких относительных скоростях движения FrD>2,5 целесообразно применять смешанные (острая скула в корме и лекальные обводы в носу) и остроскулые образования корпуса (безреданные и реданные). Смешанные обводы корпуса рациональны при движении в диапазоне скоростей 2,5≤FrD≤3 при носовых центровках и малых значениях коэффициента статической нагрузки.
В практике отечественного скоростного судостроения разработаны совершенные методы различных гидродинамических расчетов скоростных судов. Для разработки расчетного метода определения сопротивления судов с круглоскулыми обводами, движущихся в переходном режиме при FrD≤2,5, используются результаты модельных испытаний серии моделей Н.С. Володина.
 |
Круглоскулые обводы в настоящее время для глиссирующих судов применяются крайне редко. Это связано с поперечным распределением давлений по днищу судна при глиссировании. На острых кромках скулы при этом возникает перепад гидродинамического давления. При скругленной скуле и перепад давления у скул становится плавным. Вода не отрывается от кромки скулы, а поднимается вверх по корпусу и замывает борта. Потери гидродинамической подъемной силы прямо пропорциональны радиусу скругления скулы. Поэтому круглоскулые обводы чаще применяются для судов переходного режима. Основным достоинством круглоскулых обводов при плавании на волнении является меньшие ударные нагрузки на днище и более плавная качка, чем у судов с остроскулыми обводами при аналогичных условиях эксплуатации. Круглоскулые обводы корпуса, как правило, дополняются скуловым брызгоотбойником, уменьшающим замывание скуловых участков днища. Для более высоких относительных скоростей движения применяются комбинированные обводы, когда в носовой части корпус выполняется с обводами круглоскулого типа в сочетании с глиссирующим участком с острой скулой в корме. Основными достоинствами круглоскулых обводов являются умеренные углы внешнего крена при поворотах и циркуляции и сниженные нагрузки при движении на волнении.
При отработке обводов вновь проектируемых глиссирующих судов используются результаты испытаний систематических серий моделей БК глиссирующих судов большого водоизмещения, испытаний систематических серий моделей МБК глиссирующих судов малого водоизмещения, а также результаты экспериментального исследования сопротивления моделей серии Клемента и Блаунта.
Безразмерные гидродинамические параметры, характеризующие форму обводов, нагрузку и центровку судна определяются следующим образом. К группе безразмерных гидродинамических параметров, характеризующих форму обводов, нагрузку и центровку судна относятся:
- коэффициент статической нагрузки;
- относительная центровка;
- относительная длина;
- угол внешней килеватости на миделе;
- угол внешней килеватости на транце;
- сужение кормовой оконечности.
 |
На предварительном этапе проектирования величина коэффициента статической нагрузки для скоростных судов небольшого водоизмещения принимается в пределах CD=0,15-0,35, а минимум сопротивления наблюдается при значениях CD=0,23-0,27. Для судов большего водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимальных значений коэффициента статической нагрузки в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рисунке 3 сверху слева.
Величина относительной центровки глиссирующего судна определяется формулой:
 |
где xg – абсцисса центра масс от транца;
Lск – длина корпуса по скуле.
Особенности современных обводов глиссирующих судов из композитов, включая их посадку в водоизмещающем состоянии с построечным дифферентом, определяют дополнительные трудности в определении расчетной длины L и ширины корпуса B. Поэтому значения расчетной длины и ширины корпуса должны быть проверены по граничным условиям для глиссирующих судов. На предварительном этапе проектирования величина относительной центровки для судов малого водоизмещения принимается в пределах xg=0,31- 0,42. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимальных центровок в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рис. 3 справа сверху.
В то же время, в первом приближении без большого ущерба для точности можно принять Lск≈0,94-0,96L, где L – длина по палубе, поэтому по общему правилу на начальном этапе проектирования положение центра масс по длине от транца должно удовлетворять условию:
 |
Величина относительной длины глиссирующего корпуса определяется по формуле:
 |
Важной особенностью современных глиссирующих обводов является Δ – видная форма корпуса в плане, обусловливающая смещение наибольшей ширины корпуса к транцу. При этом в первом приближении без большого ущерба для точности можно принять Bск≈B. С учетом изложенного выше относительная длина глиссирующего судна определяется величиной его удлинения:
 |
На предварительном этапе проектирования величина относительной длины для судов малого водоизмещения принимается в пределах l=2,5-3,75. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимальной относительной длины в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рис. 3 слева снизу.
На предварительном этапе проектирования величина угла внешней килеватости на миделе для судов небольшого (до 15 т) водоизмещения принимается в пределах βΘ=7-25о угол внешней килеватости на транце βТ =0-21о. Для судов большого водоизмещения эта величина может быть определена по графику изменения оптимального угла внешней килеватости на миделе в зависимости от относительной скорости FrD, приведенному на рисунке 3. справа снизу.
На предварительном этапе проектирования величина сужения кормовой оконечности для судов малого водоизмещения принимается в пределах BΘ/BТ =0,65-0,95.
Проводились опыты по определению гидродинамических характеристик плоскокилеватых профилей, форма поперечных сечений которых близка к форме днища глиссирующих судов в районе мидель-шпангоута или редана. Форма профиля оказывает значительное влияние на гидродинамические характеристики обводов. С целью улучшения мореходных качеств глиссирующих судов профили выбирают килеватыми с искривлением у скул. Таким образом, достигается компромиссное решение – получение хороших мореходных и ходовых качеств.
У профилей днища глиссирующих судов углы килеватости β≈6÷10. У судов, предназначенных для эксплуатации в условиях волнения угол килеватости как правило, β>10°.
 |
| Гидродинамические характеристики слабокилеватых профилей изменяются также как и для профилей с плоскими сечениями, отличаются лишь значения сопротивления, моментов и смоченных площадей. |
У цилиндрических профилей при одинаковых углах атаки и нагрузках на воду сопротивление формы одинаковое, и оно равно ?tgφ. Профили разных типов различаются по значению моментов и сопротивлению трения за счет разницы в площадях смоченных участков. В зависимости от формы профиля величина подъемной силы меняется; например, для плоскокилеватых профилей она меньше, чем для плоских. При заданных нагрузке на воду и угле атаки изменение динамической реакции в зависимости от формы профиля выразится в большем или меньшем изменении осадки, что приведет к уменьшению или увеличению смоченных площадей и моментов. Полное сопротивление изменится за счет трения пропорционального смоченной площади.
Гидродинамические характеристики плоскокилеватых профилей отличаются от характеристик плоских пластин даже при малых значениях углов килеватости. С ростом угла килеватости уменьшается величина динамической подъемной силы, увеличивается осадка профиля и возрастает сопротивления трения (рис. 4).
Брызгообразование у плоскокилеватых профилей при движении в режиме глиссирования хуже, чем у плоских профилей, а высота подъема и общее количество вытесняемой у бортов воды больше.
При оптимальных Св и φ гидродинамическое качество К при малых β почти пропорционально изменению углов килеватости. Оптимальное значение коэффициентов динамической нагрузки увеличивается с ростом углов килеватости (рис. 5).
 |
Сопротивление трения брызговой струи при глиссировании килеватых пластин может, в отличие от плоских пластин, прибавиться к трению основного потока, так как брызговые струи направлены не только вперед, но также вбок и назад.
Приближенно определить гидродинамические характеристики килеватых профилей можно методом, приведенным выше для плоских пластин, вводя поправку на изменение угла хода и смоченной площади, предложенную И.П. Любомировым.
Различия в геометрической форме течений, возникающих при движении глиссирующих пластин с прямой и обратной килеватостью, весьма существенны. Течение около обычной килеватой пластины складывается из брызговых струй, выбрасываемых вперед по ходу движения и в направлении бортов из течения вдоль основной смоченной поверхности и из бортовых струй, отбрасываемых назад и сходящихся за транцем пластины с образованием волновой впадины и брызгового "фонтана". При движении обратнокилеватой пластины картина течения несколько иная. Прежде всего, отсутствуют столь характерные для глиссирующих судов развитые брызговые струи. Это объясняется тем, что брызговые пелены, поднимающиеся вдоль каждой из граней днища от бортов к диаметральной плоскости, смыкаясь, образуют одну, обратную по отношению к направлению движения неустойчивую брызговую струю, которая быстро разрушается. Образующаяся при этом пена, а также некоторое количество воздуха, захватываемого при движении под днище, просасываются вдоль киля, формируя узкую (до 10-15 % общей ширины пластины) пенную дорожку, которая за транцем постепенно рассеивается.
 |
Применение скуловых накладок для плоскокилеватых профилей приводит к существенному уменьшению сопротивления, моментов и смоченных площадей (рис. 6). При этом уменьшается брызгообразование профилей. Отражая воду вниз скуловые накладки уменьшают брызгообразование вокруг корпуса. При наличии скуловых накладок увеличивается давление у скул по сравнению с плоскокилеватым профилем; при заданной нагрузке на воду увеличение подъемной силы выражается в уменьшении смоченной площади и сопротивления трения. Рациональные параметры скуловой накладки в зависимости от углов поперечной килеватости определяются следующими соотношениями: δн=90°+β°; rн≈0,02В; вн=(0,02÷0,03)В, где δ – угол скоса накладки; rн - высота накладки; вн - ширина накладки.
Профили со скуловыми накладками теряют свои преимущества при больших значениях коэффициента динамической нагрузки и с момента выхода на режим движения на треугольнике. В этих случаях при одной и той же килеватости характеристики таких профилей будут мало отличаться от характеристик обычных плоскокилеватых профилей.
 |
Подъемная сила лекальных профилей и профилей с туннелями благодаря повороту воды в местах кривизны и тому, что края днищевой поверхности у борта становятся плоскими, возрастает по сравнению с плоскокилеватыми профилями. В некоторых случаях, сопротивление профилей этого типа меньше, чем у плоской пластины. На рисунке 1.4.7 представлено сопоставление гидродинамических характеристик для плоской пластины и профиля с туннелем и углом внешней килеватости β=5°.
Отрыва потока от бортов на скулах при движении обратнокилеватой пластины не происходит. Сходящие с боротов струи ниже по потоку, по мере удаления от транца, как бы закручиваются внутрь "волновой впадины", а затем, соударяясь, образуют брызговой "фонтан". Термин "брызговая впадина" по отношению к обратнокилеватой поверхности не вполне корректен, так как поверхность образующаяся при глиссировании за транцем и ограниченная бортовыми струями, имеет сложную форму: выпуклую в средней части и вогнутую по краям.
 |
Плоскодонные обводы могут применяться при достаточно низкой энерговооруженности судна за счет небольшого волнового сопротивления и малой высоты отходящих волн.
Чрезвычайно серьезной проблемой для глиссирующих судов является возможность поддержания ими высокой скорости на взволнованной водной поверхности. Известно, что движущееся по волнам на большой скорости глиссирующее судно будет испытывать тяжелые удары о воду днищевой частью (слемминг) при встречном волнении, забрасывание или захват кормовой части (брочинг) и рыскание при попутном волнении или при ходе косым курсом к волне. Удары о волну и зарывание в нее, сопровождающееся сильным брызгообразованием, обычно резко понижают скорость хода судна, могут нанести повреждения его корпусу и оборудованию, создают труднопереносимые условия для экипажа и пассажиров. Выход глиссирующего судна из расчетного режима сопровождается повышенным волнообразованием.
Существенным недостатком плоскодонных обводов являются сильные вертикальные ускорения при движении при взволнованной поверхности и связанные с ними повышенные ударные нагрузки на днищевое перекрытие, а также значительный внешний крен на поворотах. Это ограничивает применение плоскодонных глиссирующих корпусов в основном на спортивных гоночных скоростных судах для акваторий, закрытых от волн. Наиболее эффективным путем снижения ударных перегрузок является увеличение угла килеватости днища. При его увеличении, например, с 0 до 10° сила удара снижается более чем в 1,5 раза. Устойчивость движения малокилеватого глиссирующего корпуса определяется положением центра тяжести по длине судна.
При постоянной нагрузке и в условиях гладкой воды или небольшого волнения максимальным гидродинамическим качеством при глиссировании обладает корпус малой килеватости, имеющий необходимую ширину по скуле и оптимальное положение центра тяжести с необходимым дифферентом. Глиссирование корпусов с малой килеватостью, также, возможно при относительно небольших значениях энерговооруженности. Величина гидродинамического качества у корпусов с малой килеватостью может достигать K = 10.
Обводы корпусов судов из композитов, характеризуются большим разнообразием. Наиболее характерные типы обводов приведены в таблице 1.
Несмотря на практически безграничные возможности формообразования корпусов судов из композитов в последние десятилетия произошла определенная унификация их обводов. Из всего разнообразия обводов глиссирующих судов в настоящее время наибольшее распространение получили обводы типа "глубокое "V" в сочетании с продольными реданами. Они дополняются различными модификациями обводов типа "морские сани" или "тримаран" на катерах малых размеров, как правило, длиной не более 6 м, (например семейство катеров типа "Бостонский китобой").
Как было сказано выше, на современных судах из композитов разъездного назначения широкое распространение получили обводы типа "глубокое "V" и их различные модификации. Это тип обводов глиссирующего корпуса с повышенной килеватостью днища (до 20 градусов и более) от миделя до транца в сочетании с продольными реданами.
 |
 |
Такие обводы обеспечивают достаточно комфортабельный ход на волнении с минимальной потерей скорости и сниженными динамическими нагрузками на корпусные конструкции. При повышении скорости движения судна при разгоне в результате возникновения подъемной силы на плоских участках днища происходит постепенный подъем корпуса судна из воды. При этом уменьшается площадь смоченной поверхности днища и одновременно появляется определенный угол ходового дифферента.
Несмотря на существенное снижение гидродинамического качества килеватых глиссирующих корпусов по отношению к плоскодонным корпусам, они получили широкое распространение из-за лучших мореходных качеств. Благодаря почти одинаковым поперечным профилям днища в носу и корме катера с обводами типа "Глубокое "V" отличаются хорошей устойчивостью на курсе при плавании с попутной волной, малым дрейфом на циркуляции и плавностью качки.
К недостаткам обводов типа "глубокое "V" следует отнести большое сопротивление в начальный момент движения и большие затраты времени на разгон до выхода на режим чистого глиссирования. Для улучшения стартовых характеристик и обеспечения оптимального ходового дифферента на режиме разгона, как правило, используются транцевые плиты и продольные реданы на днище.
Еще одним недостатком этого типа обводов является пониженная начальная остойчивость, как на стоянке, так и на ходу. Для повышения остойчивости иногда устраиваются днищевые балластные цистерны, автоматически опорожняемые при выходе судна на расчетный режим. Для повышения остойчивости при глиссировании обеспечивается увеличение смоченной поверхности корпуса в кормовой оконечности за счет обрыва продольных реданов на некотором расстоянии от транца. В некоторых типах модификаций обводов типа "глубокое "V" используются бортовые наделки - спонсоны, расположенные на ходу над водой и касающиеся поверхности воды при крене.
Непременной деталью корпуса с обводами типа "глубокое "V" являются продольные реданы - призмы треугольного сечения с горизонтальной нижней гранью и острой свободной кромкой. На каждой половине днища обычно устанавливают по два или по три редана. Главный эффект реданов заключается в отсечении от днища потоков воды, растекающихся от киля к бортам. В результате их действия уменьшается смоченная поверхность корпуса, на реданах создается дополнительная подъемная сила, что в совокупности повышает гидродинамическое качество корпуса.
Благодаря продольным реданам осуществляется автоматическое регулирование смоченной поверхности корпуса в зависимости от скорости судна. Продольные реданы повышают остойчивость судна, демпфируют бортовую и продольную качки. На ходу при резком крене на реданах накрененного борта возникает дополнительная подъемная сила, которая препятствует дальнейшему увеличению крена. Продольные реданы существенно повышают устойчивость судна на курсе и в то же время сокращают радиус циркуляции. Это происходит благодаря работе боковых граней реданов, которые при боковом смещении - дрейфе от ветра, волны или на повороте действуют подобно килям. Положительные качества реданов в полной мере проявляются лишь при достаточно высоких скоростях. На малой скорости и при разгоне сопротивление воды вследствие увеличенной смоченной поверхности корпуса с реданами оказывается выше, чем у судна с гладким днищем. Кроме того, их эффективность зависит от угла килеватости днища. Существует и негативный эффект продольных реданов на высокоскоростных судах. При движении по волнению на плоских поверхностях реданов возникают концентрации давления, вследствие чего на корпус действуют повышенные ударные нагрузки, вследствие чего общая ширина продольных реданов не должна превышать 3% ширины днища в каждом сечении.
Для повышения гидродинамического качества обводов типа "глубокое "V" разработаны и широко используются их различные модификации. Одной из них является вариант объединения обводов типа "глубокое "V" с гидролыжей, расположенной в килевой части корпуса от миделя до транца. Поверхность гидролыжи имеет вид вытянутой вдоль корпуса трапеции. Благодаря этому корпус обладает большей устойчивостью глиссирования и меньшей чувствительностью к изменению дифферента и положения центра масс. Суда, имеющие обводы с гидролыжей, способны развивать большую скорость, чем при обычных плоско - килеватых обводах, обладают большей комфортабельностью при ходе на волнении, имеют меньший диаметр циркуляции. Использование гидролыж более чем в два раза снижает вертикальные перегрузки судна при движении на волнении.
 |
| Рис. 9. Обводы промыслового судна из композитов на базе обводов типа «глубокое «V». / Михаил Францев |
Кроме того, при движении с достаточно высокими скоростями (FrD≥5,0) корпуса судов с гидролыжами имеют более высокое гидродинамическое качество, чем суда без гидролыж, вследствие оптимальной посадки.
Глиссирующие обводы типа «тримаран» и «морские сани» на скоростях движения при FrD≤2,5 имеют худшее гидродинамическое качество, чем остроскулые безреданные обводы, однако существенно превосходят их с точки зрения мореходных качеств. Этот тип обводов характеризуется уменьшенным брызгообразованием при движении. При больших скоростях гидродинамическое качество возрастает, а вертикальные перегрузки на волнении становятся сопоставимы с остроскулыми обводами.
На промысловых судах из композитов европейского типа до настоящего времени достаточно ограниченно применяются круглоскулые глиссирующие обводы в сочетании с остроскулыми обводами в кормовой части корпуса и брызгоотбойниками, идущими по всей длине корпуса. Как было сказано выше, на скоростях при FrD≤2,5, когда преобладают гидростатические силы поддержания, оптимальными по сопротивлению на тихой воде являются именно круглоскулые обводы корпуса. При более высоких относительных скоростях FrD≥2,5 целесообразно применять смешанные (лекальные обводы в носу и острая скула в корме) и остроскулые образования корпуса (реданные и безреданные). Смешанные обводы корпуса рациональны при движении в диапазоне скоростей 2,5≤FrD≤3,0 при носовых центровках (Xg≥0,40) и малых значениях коэффициента статической нагрузки (CD≥0,50).
Однако и на промысловых судах из композитов, особенно, североевропейского типа обводы типа «глубокое «V» получают все более широкое распространение. Для промысловых судов этот тип обводов характеризуется уменьшенным углом килеватости в корме. (рис. 9)
Практика проектирования современных гидродинамических комплексов судов из композитов предусматривает широкое использование как традиционных, так и активных видов движителей. В настоящее время на судах из композиционных материалов применяются следующие типы движителей:
- гребные винты;
- поворотно-откидные колонки;
- поворотные колонки;
- водометные движители;
- частично-погруженные винты (ЧПВ) – приводы Арнесона
Поворотно-откидные колонки применяются, в основном, на судах из композитов длиной до 10 метров. Также они имеют ограниченное применение на скоростных промысловых судах несколько больших размеров типа тунцеловных. Они располагаются на транце судна и представляют собой совмещенный движительно – рулевой комплекс. Они обеспечивают судну высокие маневренные качества. Для преобразования большей мощности на ряде поворотно-откидных колонок применяются соосные винты. Существенным недостатком поворотно-откидных колонок является близкое к поверхности расположение винтов, что при килевой качке приводит к их обнажению с одновременной потерей упора. Возможно развитие кавитации на лопастях винтов и отдельных элементах колонки при определенных условиях.
Этого недостатка лишены поворотные колонки с тянущими винтами. Они не получили пока достаточно широкого распространения, однако представляют собой перспективный тип движительно – рулевого комплекса. Поворотные колонки также обеспечивают судну очень высокие маневренные качества. Они располагаются на днище судна недалеко от транца. Для преобразования большей мощности на ряде поворотных колонок применяются соосные винты. Недостатком поворотных колонок является достаточно большая осадка судна, оснащенного таким комплексом и высокая вероятность его повреждения, а также места его прикрепления к корпусу при касании грунта, что часто происходит при эксплуатации скоростного судна в условиях ограниченных глубин.
Водометные движители на судах из композиционных материалов получили ограниченное применение. Это обусловлено существенно более высокой сложностью и стоимостью привода, а также достаточно большими техническими трудностями и потребностью в дополнительном объеме для размещения водомета в корпусе судна. Известное преимущество водомета, как движителя судна, работающего в условиях очень малых глубин, нивелируется существенными повреждениями, получаемыми корпусом из композитов при касании грунта на больших скоростях. Поэтому суда из композитов мало используются для эксплуатации в условиях ограниченных глубин. Известно, что водометные движители уступают по коэффициенту полезного действия гребным винтам в диапазоне скоростей до 50-60 узлов, но при больших скоростях, когда к.п.д. гребных винтов снижается из-за кавитации, водометные движители, рабочие колеса которых не кавитируют, оказываются более эффективными. Соотношение всех этих соображений предопределило сегмент применения водометных движителей на судах из композитов: это достаточно дорогие высокоскоростные глиссирующие суда, эксплуатирующиеся в условиях открытого моря.
Проектное обоснование использования водометов в проекте судна самым непосредственным образом связано с оценкой возможности их размещения в корпусе судна. Для правильной оценки этой возможности необходимо знать диаметр водовода Dвдв. Оценку компоновочных возможностей размещения водовода водометного движителя внутри корпуса судна можно производить с использованием формулы В.М. Лаврентьева для определения оптимального диаметра рабочего колеса водомета с увеличением его на величину коэффициента, учитывающего изменение геометрии водовода на всасывающей части и толщину его стенок:
 |
| Михаил Францев |
где Pe – упор водомета;
Dрк –диаметр рабочего колеса;
Dвдв –диаметр водовода;
n – частота вращения рабочего колеса;
ρ – плотность воды.
Для решения компоновочных задач упор водомета может быть рассчитан по формуле:
 |
| Михаил Францев |
За частоту вращения рабочего колеса n может быть принята частота вращения двигателя для водометов, предназначенных для преобразования мощности до 350 КВт, и частота вращения на фланце реверс-редуктора двигателя для водометов, предназначенных для преобразования мощности свыше 350 КВт.
В случае невозможности размещения в корпусе судна водовода водомета (или водометов) целесообразно рассматривать вопрос о применении на судне частично погруженных винтов – приводов Арнесона. Привод Арнесона – это движительный комплекс, позволяющий управлять судном, обеспечивает оптимальные параметры работы суперкавитирующего полупогруженного гребного винта быстроходных судов. В нем вал гребного винта помещен в трубообразном корпусе и оснащен карданным шарниром и подшипником, воспринимающим упор винта. Корпус привода Арнесона крепится фланцем к транцу судна, а его подвижная часть подвешивается к транцу системой гидроцилиндров, позволяющей поворачивать корпус в вертикальной плоскости в пределах до 15° - оптимизируя заглубление винта, а также в горизонтальной плоскости до 40° - для управления курсом судна. При этом он также выполняет функции руля путем поворота гребного вала с винтом относительно корпуса судна. Корпус привода располагается на транце таким образом, чтобы на расчетных скоростях движения привод выходил из воды и не создавал сопротивления. Защитный плавник, который крепится к корпусу, на малых скоростях помогает управлять судном, играя роль пера руля, а на больших – не мешает его движению, так как всегда сориентирован вдоль набегающего потока. Управление судном осуществляется непосредственно поворотом оси упора винта, что позволяет значительно уменьшить радиус циркуляции судна, то есть улучшаются маневренные качества судна.
Михаил Францев
