Корпус глиссирующего или полуглиссирующего судна - RU2239579C2

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к корпусам для судна, а более конкретно к продольным сечениям корпусов и к их проектированию. Известные продольные сечения корпусов для глиссирующего судна имеют относительно низкие коэффициенты подъемной силы, а также небольшие отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению. В настоящем изобретении описаны альтернативные продольные сечения, имеющие более высокие коэффициенты подъемной силы и в то же время также обеспечивающие более высокие отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению.

Следует учесть, что термин “продольное сечение”, использованный далее применительно к корпусу, хорошо понятен в данной области техники и относится к сечению корпуса по продольной оси корпуса и включает профиль дна корпуса.

Распределение давления вдоль обычного продольного сечения корпуса в известном уровне техники показано на фиг.1. Коэффициент давления PC достигает единичного значения в точке 1 торможения потока на передней кромке, быстро спадая и асимптотически приближаясь к нулю на заднем срезе 2. Центр подъемной силы находится в точке, соответствующей примерно 30% длины хорды корпуса (т.е. длины корпуса по действующей ватерлинии). На практике коэффициент давления PC для обычных продольных сечений известных корпусов спадает более быстро, чем показано. (Это явление также приводит к перемещению вперед центра подъемной силы). Это происходит вследствие низкого отношения размеров и V-образной формы входа корпусов глиссирующего типа известных судов.

Кроме того, известны суда, у которых на заднем срезе продольного сечения корпуса расположены одна или несколько створок или “триммеров”. Такие створки обычно наклонены под относительно небольшим углом к горизонтали, как показано, например, в патентах США №№5806455 и 5215029 и в заявке на Европейский патент №0071763-А. На фиг.2 показано распределение давления для обычного продольного сечения корпуса с использованием такой створки на заднем срезе. В этом случае второй пик давления наблюдается в точке 3 перед задним срезом. Это приводит к повышению давления вдоль почти всего сечения, при этом существенно увеличивается подъемная сила, а центр подъемной силы перемещается назад в точку, соответствующую примерно 48% длины хорды корпуса. Однако створки этого типа обычно имеют значительную хорду (т.е. длину смачиваемой части створки), и при действии давления перпендикулярно к поверхности створки (не считая небольшой фрикционной составляющей, действующей вдоль поверхности створки) увеличение подъемной силы достигается за счет значительного возрастания лобового сопротивления, если угол створки (т.е. угол створки относительно горизонтали) является значительным. Кроме того, большинство створок этого типа проходит не по всей ширине корпуса, а это приводит к очень высоким потерям по всему размаху гидродинамической поверхности и к неравномерному распределению давления по корпусу. Поэтому использование таких створок является вынужденной полумерой для коррекции положения и ходовых качеств судна, которое в противном случае будет плохо уравновешенным.

Еще одна проблема, часто встречающаяся при использовании известных корпусов глиссирующего типа, заключается в продольной неустойчивости на высокой скорости, одной причиной которой является эффект явного “втягивания” носа в набегающую волну. Этот эффект обуславливает значительное лобовое сопротивление, когда нос только отрывается, как только создается достаточное приращения подъемной силы или когда волна уже прошла. Таким образом на фиг.3 показано сечение известного корпуса глиссирующего типа, в котором передний участок закруглен вследствие погружения сверх расчетного значения. Соответствующее распределение давления (зависимость коэффициента давления PC от длины хорды) вдоль сечения показано на фиг.4. После достижения единичного значения в точке 1 торможения потока коэффициент давления PC быстро падает, становясь отрицательным на 10% длины хорды и опять положительным лишь на 35% длины хорды. Ситуация ухудшается с повышением кривизны, так что когда корма поднимается, момент килевой качки может стать отрицательным, что приводит к отрицательной динамической подъемной силе. Вследствие отрицательной подъемной силы на криволинейном участке отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению для показанного сечения составляет только 1/5 часть значения, показанного на фиг.1 для того же самого сечения при расчетном возвышении над поверхностью воды.

Технической задачей настоящего изобретения является исключение или минимизация одного или нескольких из вышеуказанных недостатков.

В публикации WO 96/20106 международной заявки раскрыт корпус глиссирующего или полуглиссирующего судна, имеющий нижнюю поверхность и круто проходящую вниз заднюю часть.

В соответствии с настоящим изобретением такой корпус отличается тем, что между нижней поверхностью и задней частью образована поверхность плавного сопряжения.

Задняя срезанная часть может быть выполнена за одно целое в корпусе. Хотя предпочтительно, чтобы задняя срезанная часть была выполнена в виде створки, выступающей в основном вниз от корпуса. Предпочтительно створка наклонена под углом меньше чем 45° к нормали к плоскости расчетной ватерлинии и может быть, по существу, перпендикулярна к плоскости расчетной ватерлинии. Предпочтительно створка проходит по всей ширине транца корпуса. Предпочтительно угол створки является фиксированным, но как вариант может быть выполнен регулируемым.

Предпочтительно створка выступает за пределы уровня дна корпуса, примыкающего к створке, на длину или “хорду”, которая составляет малую часть длины корпуса, обычно меньше чем 1% полной длины корпуса. Преимущественно хорда створки может изменяться путем сдвига створки вверх или вниз вдоль наклонной оси, на которой створка закреплена с возможностью скольжения. Для управления перемещением створки может быть предусмотрено механическое, электрическое и/или гидравлическое средство.

Корпус может иметь носовую часть, содержащую переднюю поверхность, проходящую назад и вниз от носа корпуса к указанной задней срезанной части, при этом передняя поверхность выполнена слегка выпуклой, так что в продольном сечении корпуса угол указанной передней поверхности по отношению к плоскости ватерлинии при использовании корпуса является постепенно уменьшающимся по длине указанной носовой части. Предпочтительно слегка выпуклая носовая часть плавно переходит в заднюю часть дна корпуса, которая обычно погружена, когда корпус перемещается на своей расчетной эксплуатационной скорости. Предпочтительно эта задняя часть дна задней срезанной части также выполнена слегка выпуклой, так что угол атаки указанного дна к расчетной плоскости ватерлинии в точке, где дно сходится с передней поверхностью носовой части (на расчетной плоскости ватерлинии) в продольном сечении корпуса, является весьма малым, предпочтительно меньше чем 2° и может быть 1° или меньше.

Выпуклая поверхность обычно погруженного дна может плавно переходить в в основном изогнутую наверх заднюю часть дна. При использовании корпуса эта изогнутая наверх задняя часть дна может быть выполнена наклоненной к расчетной плоскости ватерлинии под положительным или отрицательным углом, в зависимости от типа судна, в котором корпус используется, его расчетной скорости и условий загрузки корпуса.

Следует учесть, что использованный в настоящей заявке термин “плоскость ватерлинии” относится к плоскости пересечения поверхности невозмущенной воды с корпусом. Статическая плоскость ватерлинии представляет собой положение плоскости ватерлинии по отношению к корпусу, когда корпус находится на плаву без движения. Плоскость ватерлинии глиссирования является положением плоскости ватерлинии по отношению к корпусу при отрыве от воды. “Расчетная плоскость ватерлинии” представляет собой положение плоскости ватерлинии относительно корпуса при расчетных условиях (т.е. когда корпус эксплуатируется при расчетной скорости).

Кроме того, следует учесть, что “отрыв” относится к моменту времени, в который судно, использующее корпус, достигает минимальной скорости глиссирования.

Предпочтительно изогнутая вверх задняя часть погруженного дна находится непосредственно перед круто проходящей вниз задней срезанной частью корпуса.

В продольном сечении корпуса длина или “хорда” погруженного участка по отношению к длине корпуса при использовании корпуса в расчетных условиях предпочтительно составляет меньше чем одну десятую часть полной длины корпуса.

Как уже описано, при использовании известных глиссирующих сечений для создания подъемной силы необходимо, чтобы судно имело положительный угол атаки. Преимущество корпусов согласно изобретению заключается в том, что их можно эксплуатировать при нулевом угле атаки на расчетной скорости и можно выполнить так, чтобы изменение положения в пространстве было небольшим или отсутствовало во всем диапазоне скоростей судна.

Кроме того, корпуса согласно изобретению имеют повышенные значения коэффициентов подъемной силы и двумерного отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению. Повышенный коэффициент подъемной силы приводит к пониженной площади поверхности, находящейся в соприкосновении с водой, которая для корпусов равной ширины трансформируется в уменьшение средней хорды несущей поверхности и, следовательно, в повышение числа Фруда, Vs/√(g·L), где Vs представляет собой скорость судна относительно воды, L является местной хордой, a g представляет собой ускорение силы тяжести. Это уменьшает как сопротивление брызг, так и волновое сопротивление. Поэтому корпуса согласно настоящему изобретению обеспечивают существенное энергосбережение по сравнению с известными корпусами с теми же параметрами массы и размера, при этом значительно уменьшаются как завихрения, так и брызги. Пониженное образование брызг корпусами согласно настоящему изобретению исключает необходимость установки отражателей брызг и других устройств, рассчитанных на повышение подъемной силы путем отклонения книзу пелены брызг.

Дополнительное преимущество, предоставляемое повышенным коэффициентом подъемной силы, заключается в том, что судно способно глиссировать при значительно меньших скоростях, наряду с тем что более высокое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению уменьшает мощность, необходимую для достижения скорости глиссирования. Для винтового судна повышенная скорость потока под корпусом, обусловленная скольжением винта движителя, приводит к значительному увеличению подъемной силы. Этот эффект проявляется намного сильнее, чем в известных корпусах, вследствие существенно уменьшенной хорды и улучшенного распределения давления по задним участкам. Кроме того, из-за более высокого коэффициента подъемной силы и, соответственно, меньших скоростей глиссирования становится сильнее скольжение винта движителя. Это повышает местную скорость по отношению к судну, так что динамическое давление также возрастает. Созданная дополнительная подъемная сила может уменьшить энергию, необходимую для достижения скорости глиссирования, на 30% или больше.

Теперь только для примера будут описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - график зависимости коэффициента давления PC от хорды, выраженной в процентах, для обычного известного из уровня техники продольного сечения корпуса;

фиг.2 - график зависимости коэффициента давления PC от хорды, выраженной в процентах, для обычного известного продольного сечения корпуса, в котором створка заднего среза прикреплена к корпусу;

фиг.3 - график зависимости погружения корпуса от хорды, выраженной в процентах, для продольного сечения известного из уровня техники корпуса глиссирующего типа при отклонении положения от расчетного;

фиг.4 - график зависимости коэффициента давления PC от хорды, выраженной в процентах, для такого же корпуса, как на фиг.3;

фиг.5 - продольное сечение корпуса согласно одному варианту осуществления корпуса;

фиг.6 - увеличенное изображение кормовой части сечения корпуса с фиг.5;

фиг.7 - перспективный вид сзади корпуса согласно еще одному варианту осуществления изобретения;

фиг.8 - график зависимости коэффициента давления PC от хорды, выраженной в процентах, для продольного сечения корпуса согласно изобретению, которое оптимизировано для прогулочных условий; и

фиг.9 - график зависимости коэффициента давления PC от хорды, выраженной в процентах, для продольного сечения корпуса согласно изобретению, которое оптимизировано для условий "взлета".

Обычное продольное сечение корпуса 4 согласно настоящему изобретению показано на фиг.5. Следует отметить, что для ясности масштаб по вертикальной оси на фиг.5 не соблюден и фактически увеличен. Продольное сечение корпуса 4 имеет носовую поверхность 5, проходящую вниз от носа продольного сечения по направлению к заднему срезу продольного сечения. Эта поверхность обычно выполнена слегка выпуклой, чтобы имелся небольшой угол α₁ атаки в точке 9, в которой она пересекает статическую плоскость ватерлинии 6. Далее находится, как правило, слегка выпуклая поверхность 10, которая без разрыва продолжается от поверхности 5 в точке 9 и пересекает плоскость 7 ватерлинии в точке 11, в которой корпус достигает устойчивой скорости глиссирования. Угол α₂ касательной к поверхности 10 по отношению к плоскости 7 ватерлинии при глиссировании предпочтительно является малым, насколько это возможно, согласованным с другими ограничениями.

Увеличенное изображение кормовой части продольного сечения корпуса 4 показано на фиг.6. Обычно слегка выпуклая поверхность 12, которая без разрыва проходит от поверхности 10 в точке 11, встречается с расчетной плоскостью ватерлинии в точке 13. Угол α₃ атаки в точке 13 задан предпочтительно очень небольшим, и он может составлять 1° или меньше. При расчетной скорости судно скользит по поверхности 14, которая без разрыва продолжается до поверхности 12 в точке 13. Эта поверхность предпочтительно выполнена слегка выпуклой и предпочтительно заканчивается в точке 15 на проходящем кверху заднем срезе. Угол α_TE между касательной к поднимающейся кверху части поверхности 14 по отношению к расчетной плоскости 8 ватерлинии может находиться в пределах от небольшого отрицательного (направленного вниз) до положительного, составляющего 10° и больше (направленного вверх), в зависимости от типа судна и расчетной скорости, а также от условий загрузки. Обычно значение α_TE находится в диапазоне от -1° до +1°.

Возле проходящего кверху заднего среза 15 корпус завершается проходящей круто кверху створкой 18, которая резко обрывается в точке 16. Хорда С_F створки 18 (т.е. смачиваемая длина створки представляет собой отрезок створки, выходящий за пределы изогнутой кверху задней срезанной части 15) составляет в процентном выражении небольшую часть длины L сечения корпуса 4. Для большинства быстроходных судов эта часть может быть меньше чем 1%, но в отдельных случаях может быть больше для более крупных глиссирующих и полуглиссирующих судов, описанных в настоящей заявке ниже. Предпочтительно створка 18 выполнена регулируемой, так что хорду С_F изменяют путем изменения положения створки при перемещении вверх или вниз в направлении стрелки А. Небольшой плавный переход образован в точке 15 между поверхностью 14 и створкой 18. Угол β створки по отношению к нормали к расчетной плоскости 8 ватерлинии может быть положительным или отрицательным и предпочтительно меньше чем 45°.

Длина или хорда погруженного участка продольного сечения (т.е. длина по действующей ватерлинии) в статике обозначена как C₁. Хорда при скорости, на которой судно начинает глиссировать (т.е. при скорости "отрыва"), обозначена как C₂. Отношение хорды С₂ к длине L судна сильно уменьшено по сравнению с отношением для известных корпусов для повышения коэффициента подъемной силы, следствием которого являются снижение трения, образования брызг и волнового сопротивления. Для высокоскоростного судна расчетная хорда С₃ (т.е. хорда при расчетной скорости) должна быть очень небольшой, и обычно она меньше чем 10% длины L судна. Как было описано в настоящей заявке выше, смысл низкого значения С₃ заключается в повышении числа Фруда.

Вариант, подходящий для более крупных глиссирующих или полуглиссирующих судов, представлен на фиг.7, на которой показано продольное сечение корпуса 4, у которого α_TE представляет собой намного больший положительный угол, чем показанный на фигурах 3 и 4, так что точка 15 находится над расчетной плоскостью 8 ватерлинии. В этом случае хорда С_F створки также больше. Для снижения потери давления на бока 21 корпуса 4 могут быть наложены юбки 20. Можно спроектировать сечения корпуса такого типа с коэффициентом подъемной силы больше 0,4 и отношением подъемной силы к лобовому сопротивлению свыше 40.

Что касается фиг.3, 4 и 5, то для удобства на них плоскости 6, 7, 8 ватерлинии показаны в виде прямых линий и относятся к плоскостям невозмущенной воды, находящимся на некотором расстоянии от судна.

Термин “слегка выпуклый”, использованный выше, означает, что при наличии выпуклости вдоль, по существу, всего сечения кривизна в любой точке минимизирована, так что коэффициент давления PC при нормальной нагрузке не становится отрицательным. Низкое значение отношения расчетной хорды С₃ к длине L означает, что путем выбора небольшого значения кривизны, выраженной как δα/δС, где α представляет собой значение угла касательной к поверхности в любой точке вдоль любой из поверхностей 5, 10, 12, 14 по отношению к плоскости ватерлинии, а С представляет собой соответствующую хорду, достигаются достаточно высокие значения высоты Н форштевня и угла α_n форштевня, что видно при обращении к фиг.1.

Следует учесть, что термины “коэффициент давления”, “коэффициент подъемной силы” и “коэффициент лобового сопротивления” являются общеупотребительными и хорошо понятными терминами в данной области техники, имеющими следующие общепринятые определения в общей технике.

Давление, создаваемое на поверхности корпуса, действует по нормали к локальной поверхности корпуса. Коэффициент давления PC равен давлению, действующему на поверхность единичной площади, деленному на динамическое давление, где динамическое давление равно плотности воды, умноженной на Va²/2, где Va представляет собой местную скорость воды относительно судна.

Коэффициент подъемной силы представляет собой вертикальную подъемную силу, создаваемую поверхностью, деленную на произведение площади горизонтального сечения поверхности, спроектированной на поверхность воды и динамического давления, и равен интегралу по площади поверхности от произведения коэффициента давления и косинуса местного угла корпуса к горизонту за вычетом произведения коэффициента трения и синуса местного угла корпуса к горизонтали.

И, наконец, коэффициент лобового сопротивления представляет собой сопротивление в горизонтальном направлении, создаваемое поверхностью, деленное на произведение площади поверхности и скоростного напора, и равен интегралу по площади поверхности от произведения коэффициента давления и синуса местного угла корпуса к горизонтали за вычетом произведения коэффициента давления и косинуса местного угла корпуса к горизонтали, где местный угол корпуса к горизонтали является положительным, если касательная к поверхности корпуса ориентирована книзу в направлении к корме, и где коэффициент трения представляет собой силу лобового сопротивления, обусловленную трением, создаваемую поверхностью единичной площади, деленную на динамическое давление.

Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению определено как отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления.

Эффективность корпуса, имеющего описанное выше усовершенствованное продольное сечение, будет более понятной при обращении к распределениям коэффициента давления, показанным на фиг.8 и фиг.9, при этом на фиг.8 показаны результаты для продольного сечения корпуса согласно настоящему изобретению, оптимизированного для прогулочных условий и обеспечивающего коэффициент подъемной силы 0,15 и отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению 25:1. Для этого случая хорда С_F створки составляет 0,5% расчетной хорды С₃. Как и для известных из уровня техники сечений коэффициент давления достигает единичного значения вблизи передней точки 1 торможения потока. Поверхность вблизи этой точки 13 выполнена менее наклонной по сравнению с поверхностью сечения из известного уровня техники, показанного на фиг.1, при этом действующая в вертикальном направлении составляющая (или подъемная сила) возрастает в самой малой степени, тогда как действующая в обратном направлении составляющая (сопротивление) уменьшается. Сразу же позади точки 1 торможения потока коэффициент давления PC снижается незначительно, но более быстро, чем для известного сечения, вследствие отклонения кверху поверхности 14, так что подъемная сила, создаваемая этим сечением, немного уменьшается. Однако уменьшение отрицательного наклона этого сечения дополнительно снижает составляющую сопротивления. Постепенно коэффициент PC давления начинает увеличиваться вдоль хорды вследствие возрастания влияния проходящей книзу створки 18 на заднем срезе, тогда как коэффициент давления для сечения из известного уровня техники продолжает падать. Одновременно поверхность корпуса перестает быть плоской и с достижением преимущества начинает подниматься, так что давление, действующее на поверхность, не только создает значительную подъемную силу по сравнению с сечением из известного уровня техники, но также создает составляющую силы, которая фактически продвигает судно в продольном направлении. В точке 23 изгиба коэффициент давления опять достигает единичного значения (точное значение зависит от крутизны изгиба). Очевидно, что эта поверхность создает значительное лобовое сопротивление вследствие того, что кажущаяся сумма создаваемого (высокого) давления образует составляющую лобового сопротивления из-за протяженности поверхности в вертикальном направлении книзу. Эту силу лобового сопротивления необходимо компенсировать созданием повышенной подъемной силы и составляющей направленной вперед силы, создаваемой задней частью поверхности 14. Из сравнения площадей под кривыми на фиг.8 и фиг.1 очевидно, что площадь под кривой, соответствующая создаваемой подъемной силе, повышается примерно в 3 раза. Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению примерно удваивается.

На фиг.9 показаны результаты для продольного сечения корпуса согласно этому изобретению, которое оптимизировано, исходя из условий подъемной силы, при этом получены коэффициент подъемной силы 0,25 и отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению 15:1. Для этого случая хорда С_F створки увеличена на 2% относительно хорды С₂ глиссирования. Увеличенная хорда створки в виде процента хорды сечения приводит к расширению пика 23 коэффициента давления вблизи заднего среза корпуса и, как правило, к увеличению коэффициента давления на протяжении всей хорды корпуса. Из сравнения площадей под кривыми на фиг.9 и фиг.2 очевидно, что площадь под кривой, соответствующей создаваемой подъемной силе, повышается примерно в 3 раза. Отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению остается примерно тем же самым. В то время как в случае уплощенного сечения из уровня техники центр подъемной силы смещен назад примерно на 16% хорды при использовании створки, центр давления нового сечения смещен вперед на 7% хорды. Это уменьшенное смещение обеспечивает существенное преимущество при эксплуатации триммера судна.

Вышеуказанные коэффициенты подъемной силы и отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению относятся к данным двумерного сечения (продольного сечения корпуса). Трехкратное возрастание подъемной силы сечения означает, что расчетная хорда С₃ будет меньше во столько же раз для корпуса с той же самой высотой и шириной. Число Фруда возрастет в √3 раз. Сниженные потери по всему размаху гидродинамической поверхности, являющиеся следствием повышенного отношения ширины к хорде поверхности глиссирования, наряду со снижением потерь на образование брызг и волновых потерь вследствие повышенного числа Фруда, оказывают такое сильное действие, что у новых улучшенных сечений наблюдается увеличение коэффициента подъемной силы и повышение отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению примерно в 5 раз применительно к трехмерному корпусу. Действие обращенной вперед пелены брызг, когда небольшой угол α₃ атаки связан с высоким отношением ширины к хорде несущей поверхности, означает, что преобладающая часть пелены брызг возле носа распространяется вперед, а не отклоняется в стороны, как в случае известных из уровня техники корпусов. Этот эффект обуславливает “скольжение” корпуса по образованной пелене брызг, которая увлекает пузырьки воздуха, дополнительно уменьшая трение скольжения.

Очевидно, что для получения максимального преимущества корпуса, использующие новые сечения из корпусов, оптимально должны быть оборудованы регулируемой створкой. В идеале на скоростях ниже скорости глиссирования створка должна быть убрана для минимизации лобового сопротивления, тогда как для подъема судна на глиссирование створка должна быть выпущена для создания высокой подъемной силы. При прогулочной скорости створка должна быть частично убрана для обеспечения минимального лобового сопротивления, а при скоростях выше расчетной точки створки должны быть дополнительно убраны для поддержания погруженной хорды около ее расчетной величины.

Для специалистов в области взаимодействий высокоскоростных потоков со свободными поверхностями будет очевидным, что точные характеристики подъемной силы и лобового сопротивления можно с высокой точностью рассчитать и оптимизировать и что для оптимизации потока вокруг реальных трехмерных корпусов небольшие изменения формы сечений можно осуществить без отступления от объема изобретения, определенного в формуле изобретения.

Реферат

Изобретение относится к корпусам глиссирующих или полуглиссирующих судов. Корпус (4) имеет круто проходящую вниз заднюю срезанную часть (18), которая в предпочтительном варианте осуществления выполнена в виде створки, проходящей по всей ширине транца корпуса и выступающей за пределы уровня проходящей кверху части нижней поверхности (14) корпуса только на небольшую часть длины (L) судна. Кроме того, в соответствии с другой особенностью изобретения описан и заявлен корпус (4), имеющий слегка выпуклую носовую часть (5, 10, 12). Заявленные корпуса обеспечивают более высокие коэффициенты подъемной силы и отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению, чем известные корпуса глиссирующего типа, и могут эксплуатироваться на проектной скорости при нулевом угле атаки. 19 з.п. ф-лы, 9 ил.

Формула