КАФЕДРА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВ

Содержание.

 

Краткая история создания судов на подводных крыльях…………………………….3

Архитектурно-конструктивные особенности судов на подводных крыльях………..5

Силовые установки судов на подводных крыльях………………………………….....8

Особенности обводов корпуса и выступающих частей судов на подводных

крыльях………………………………………………………………………………......10

Движетели судов на подводных крыльях……………………………………………...11

Элементы проектирования СПК……………………………………………………….14

Требования, предъявляемые к подводным крыльям………………………………………… 14

Выбор количества и расположения подводных крыльев по длине судна……………………15

Выбор площади подводных крыльев…………………………………………………………..16

Выбор типа подводных крыльев……………………………………………………………….17

Выбор формы крыла в плане……………………………………………………………….......18

Выбор размеров и профиля подводных крыльев………………………………………...……19

Взаимное расположение подводных крыльев и корпуса судна…………………………...…20

Проектирование корпусов судов на подводных крыльях………………………………….…20

Масса судов на подводных крыльях………………………………………………………..….21

Вопросы снижения уровней шума в помещениях СПК………………………………………21

 

 

Краткая история создания судов на подводных крыльях.

 

К концу XIX века практически были исчерпаны резервы в повышении скорости движения водного транспорта. Появились многочисленные предложения по использованию гидродинамических сил для движения судов на больших скоростях. Но более перспективными оказались работы в области создания скорост­ных судов с использованием подводных крыльев. Многие из специалистов, развивавших это направление, работали и в области авиации. Использова­нию крыла в судостроении способствовал и тот фактор, что массовая плотность воды в 800 раз больше, чем воздуха. Это означает, что для обе­спечения одинаковой подъемной силы площадь подводного крыла требу­ется в 800 раз меньше, чем воздушного.

Основные задачи, которые было необходимо решить на пути создания СПК, заключались в выборе количества подводных крыльев, их геометрии и места расположения относительно корпуса судна. По этим трем принципиальным соображениям можно классифицировать все многообра­зие типов СПК и схем подводных крыльев.

Первая авторская заявка на судно на подводных крыльях принадле­жит российскому изобретателю, французу по происхождению Ш. де-Ламберу, который запатентовал свое изобретение в 1891 г. во Франции, а в 1894 г. в США. Он построил небольшое судно с подводными крыльями, но оторвать корпус СПК от воды во время испытаний ему так и не удалось.

Впервые практически осуществить движение судна на подводных крыльях удалось одному из пионеров авиации, итальянскому инженеру Энрико Форланини в 1905 г. Построенное им судно массой 1,6 т с устано­вленными на нем в носу, корме и по бортам „этажерочными" подводными крыльями (рис. 3) явилось результатом его многолетних исследований по использованию подводного крыла в судостроении для повышения скоро­сти движения на воде. Целью установки „этажерочных" (в системе верти­кальной решетки) подводных крыльев являлась стабилизация движения СПК при изменении скорости движения.

Примерно в этот же период итальянский авиатор Артуро Крокко предложил систему подводных крыльев, позволяющих более эффективно осуществлять стабилизацию судна в вертикальной плоскости с изменени­ем скорости. Для этой цели он применил так называемые V-образные пе­ресекающие поверхность воды подводные крылья.

Испытания судна, проведенные Крокко и Рикальдони в 1907 г., позволили

подтвердить принципиальные вопросы

движения судна на V-об-разных пересекающих

поверхность воды подводных крыльях.

Судно было выведено на основной режим движения

с полным отрывом корпуса от воды

Рис. 5. Схема крыльевого устройства Крокко-Рикальдони

и при мощности двигателя 59 кВт с двумя

воздушными винтами развило максимальную

скорость 70 км/ч.

Наибольшего успеха в создании судов на подводных крыльях в 30-х годах добился известный немецкий авиационный инженер Ганс фон Шер-тель. За основу при разработке судов на подводных крыльях он принял принципиальную схему подводного крыла, предложенную Крокко. До 1936 г. Шертелем было разработано и построено восемь экспериментальных судов на подводных крыльях, на которых отрабатывались отдельные элементы подводных крыльев, их взаиморасположение и размещение от­носительно корпуса судна. Значительное внимание было уделено вопро­сам конструкции подводного крыла и движительной установке. В резуль­тате активной 10-летней работы Шертелю удалось разработать принципи­альную схему судна на V-образных пересекающих поверхность воды подводных крыльях, которая позволила в последующие годы создать первые образцы судов преимущественно военного назначения.

В 1934-1935 гг. французский инженер Грюнберг получил патент на схему судна, в которой 80—90 % массы судна сосредоточено на кормовом глубокопогруженном плоском крыле, а изменение угла атаки крыла (для изменения его подъемной силы по скорости) осуществляется при помощи носовых глиссирующих поплавков, несущих 10—20 % массы судна (рис. 10). Эта схема по идее близка к предложенной братьями Мичем. Ос­новными ее недостатками являются большая чувствительность носовых глиссирующих поплавков к состоянию водной поверхности (при неболь­шой волне — прыгающее движение судна) и низкая поперечная устойчи­вость судна.

 

В СССР первые попытки создания судов на подводных крыльях отно­сятся к началу 30-годов и принадлежат они, как и за рубежом, авиаторам. Авторами этих первых попыток являются инженеры ЦАГИ В. Г. Фролов и А. Н. Владимиров, которые в период 1933—1937 гг. провели первые экс­периментальные исследования подводных крыльев в гидроканале ЦАГИ, подтвердили возможность их использования для судов и получили коли­чественные результаты по влиянию глубины погружения на гидродинами­ческие характеристики подводного крыла.

В 1934 г. В. Г. Фроловым и А. Н. Владимировым была разработана схема судна на двух подводных крыльях и построена его само­ходная модель ЭГО-1 массой около 300 кг. При мощности двигателя 10 кВт модель развивала скорость 32 км/ч. Устойчивости хода на модели достичь не удалось, так как при приближении к поверхности воды к крыль­ям прорывался атмосферный воздух, в результате чего терялась их подъ­емная сила и судно проваливалось.

В 1936 г. сотрудником ЦАГИ Л. А. Эпштейном была предложена схе­ма катера с автоматическим управлением подъемной силы подводного крыла. При массе 1,3 т катер при мощности 96 кВт с переда­чей на воздушный винт развивал скорость до 100 км/ч. Здесь, как и в схеме Грюнберга, пришлось столкнуться с трудностями обеспече­ния стабильного хода катера в вертикальной плоскости и с низкими ха­рактеристиками боковой остойчивости.

В ЦАГИ велась также работа по применению V-образных пересекаю­щих поверхность воды подводных крыльев. Были предприняты попытки избежать неблагоприятного влияния передних крыльев на задние путем разнесения площадей носового крыла по ширине. По такому принципу в 1946-1947 гг. в ЦАГИ был построен катер массой 1,5 т, ко­торый при мощности двигателя 66 кВт развивал скорость до 60 км/ч.

В 1941 г. советский конструктор Р. Е. Алексеев приступил к работам по созданию судов на подводных крыльях. В поисках схемы судна для речных условий с ограниченной осадкой в 1943 г. он предложил исполь­зовать малопогруженное подводное крыло. К этому времени на основе исследований, проведенных им в опытовых бассейнах и гидролотках, а также на несамоходных и самоходных моделях на открытом водоеме, Р. Е. Алексееву удалось подтвердить возможность решения с помощью малопогруженных подводных крыльев, глубина погружения которых составляет 15—30 % хорды крыла, вопросов стабильного хода, устойчиво­сти движения и высокого гидродинамического качества. В 1943 г. Р. Е. Алексеевым был разработан проект и построен первый катер на под­водных крыльях А-4 (рис. 16).

Испытания катера прошли успешно. При массе около 0,9 т и мощности двигателя 18 кВт он полностью выходил на подводные крылья и развивал скорость свыше 30 км/ч. Гидродинамическое качество катера при этом составляло около 9. Основными недостатками катера являлись трудности искусственного управления подъемной силой подвод­ного крыла и обеспечения его поперечной остойчивости.

В 1945 г. Р. Е. Алексеевым был разработан проект катера на подвод­ных крыльях А-5 (рис. 18). Носовое крыло этого катера состоит из трех разнесенных по высоте крыльев, каждое из двух кормовых, установлен­ных по бортам, - из двух, разнесенных по высоте крыльев. В 1946 г. ка­тер был построен и испытан. При массе около 1 т и мощности двигателя 53 кВт. он полностью выходил

на подводные крылья и развивал скорость

около 80 км/ч.

К 1947 г. Р. Е. Алексееву удалось экспериментально решить прин­ципиальные

вопросы гидродинамики малопогруженного подводного крыла, взаимодействия его с корпусом и выступающими частями. К этому

времени был создан также оптимальный

профиль такого крыла. Все это позволило Р. Е. Алексееву в 1947 г. разработать схему судна на

малопогруженных подводных крыльях,

принципиально отличную от ра­нее известных, явившуюся прообразом для известных речных пассажир­ских СПК, созданных им в 50-е годы.

Катер при массе около 22 т при суммарной мощности 2 двигателей 800 кВт развивал на подводных крыльях скорость более 60 уз. Рис. 18. Схема СПК Р. Е. Алексеева А-5

В 1956 г., т. е. спустя семь лет после первого проекта, Р. Е. Алексе­евым был разработан второй проект речного пассажирского судна на малопогруженных подводных крыльях. Ему было суждено стать пер­вым речным пассажирским судном на подводных крыльях.

Одновременно с практической реализацией принципиальных схем неуправляемых подводных крыльев появились первые опытные катера на глубокопогруженных подводных крыльях. По-видимому, наиболее успешные работы в этом направлении принадлежат английскому инже­неру Кристоферу Гуку, который в развитие идей братьев Мичем в кон­це 40-х - начале 50-х годов предложил систему глубокопогруженных крыльев с изменяемым углом атаки.

Таким образом, 50-е годы 20- го века дали жизнь трем из четырех открытых направлений создания судов на под­водных крыльях.

 

Архитектурно-конструктивные особенности судов на подводных крыльях.

 

Внедрение нового принципа движения на воде настоятельно потребовало пересмотреть внешнюю и внутреннюю архитектуру и планировку судов, разработать и выбрать новые конструкции и материалы.

Резкий рост скорости движения, подъем всего корпуса судна над водной поверхностью привели к тому, что с целью сниже­ния аэродинамического сопротивления и улучшения экстерьера корпусу, надстройке, рубке и выступающим частям судна при­даны обтекаемые стремительные формы.

Судно на подводных крыльях можно назвать скоростным вод­ным автобусом, назначение которого — быстрая доставка пас­сажиров на короткие и средние расстояния (до 500—600 км) с использованием самых дешевых дорог — рек, водохранилищ и морей. По общему расположению суда на подводных крыльях также напоминают самолет или автобус.

Учитывая кратковременность пребывания пассажира на борту пассажирские помещения судов на подводных крыльях выполняют в виде салонов, оборудованных индивидуальными креслами авиационного типа с откидывающимися спинками или облегченными мягкими креслами или диванами. Салон распола­гают с учетом обеспечения максимальных удобств пассажиров, хорошего обзора и достаточного удаления от основного источ­ника шума — машинного отделения.

Рулевая рубка — центральный пост управления — находится, как правило, в носовой части судна, что обусловливает нормальное управление судном даже в условиях извилистых и засорен­ных рек. Машинное отделение следует по возможности удалять и изоли­ровать от пассажирских помещений. Наиболее рационально рас­полагать машинное отделение в кормовых отсеках судна. Это связано,- однако, с необходимостью применения угловых редук­торов или вертикальных передач мощности от двигателя к греб­ному винту.

На некоторых судах («Чайка», «Беларусь» и «Буревестник») кормовое расположение машинного отделения достигнуто в ре­зультате применения водометных движителей. Таким путем уда­лось значительно улучшить условия обитаемости этих судов по сравнению с судами, у которых машинное отделение находится в средних отсеках.

Вспомогательные служебные и бытовые помещения (кладо­вые, санузлы, дежурные каюты, буфеты и др.) необходимо раз­мещать между машинным отделением и пассажирскими сало­нами, создавая тем самым дополнительную звукоизоляцию от источников шума. При расположении машинного отделения в средних отсеках теплохода над ними можно предусматривать только вспомогательные помещения или прогулочные палубы.

Основные места посадки и высадки на теплоходе необходимо проектировать с учетом максимального приближения их к посту управления, т. е. рулевой рубке, с целью минимальной потери времени на проведение операций по швартовке судна, высадке и посадке пассажиров и отходу судна от причалов.

На крылатых теплоходах целесообразно предусматривать для пассажиров открытые площадки или прогулочные палубы. При планировке помещений должны также учитываться определен­ные требования к положению ЦТ судна по длине. Наиболее целесообразное расположение ЦТ по длине — 2—4% длины в корму от миделя. Разница в положении ЦТ при полном водо­измещении и порожнем не должна превышать 4% длины.

Оборудование и архитектурное решение помещений тепло­хода на подводных крыльях подчинено одной задаче — обеспе­чению хороших условий обитаемости при наименьших затратах.

Внедрение новых материалов и учет специфических условий эксплуатации судов на подводных крыльях обусловили создание новых методов расчета прочности. В результате большой научно-исследовательской работы и обобщения опыта смежных обла­стей техники были получены приближенные методы оценки прочности судов на подводных крыльях, позволившие разрабо­тать конструкцию корпуса современных судов на подводных крыльях.

Характерная особенность судов на подводных крыльях — зна­чительное увеличение динамической составляющей изгибающего момента, которая в несколько раз превышает статическую со­ставляющую. Кроме того, днищевые конструкции должны обес­печивать достаточную прочность при ударе о волну. Существую­щие методы расчета ударных нагрузок, возникающих при по­садке гидросамолета и движении глиссера на волнении, не могли быть применены для судов на подводных крыльях. Поэтому в содружестве с учеными Горьковского политехнического инсти­тута и Института инженеров водного транспорта (под руковод­ством д-ра техн. наук проф. Н. В. Маттес) была разработана приближенная методика расчета внешних сил при движении судна на волнении.

Как показали многочисленные исследования, динамический изгибающий момент и давление на днище судна в значительной степени зависят от схемы крыльевого устройства, и в особен­ности от носового крыльевого устройства. В результате приме­нения новых конструкций крыльевых устройств, разработанных применительно к конкретным условиям эксплуатации каждого судна, внешние нагрузки, действующие на корпус, удалось уменьшить на 50—60% (по сравнению с нагрузками глиссирую­щих судов).

Многие построенные суда на подводных крыльях имеют удельную мощность 28—32 л. с. на 1 т водоизмещения при ско­рости около 60 км/час. Однако доля полезной нагрузки у этих судов не превышает 30—32% (с учетом топлива) от полного веса судна. Для повышения доли полезной нагрузки, а следова­тельно, и увеличения экономической эффективности судна на подводных крыльях необходимо изыскать пути дальнейшего сни­жения веса корпуса, крыльев, механической установки, оборудования и др.

Корпуса и крыльевые устройства судна на подводных крыльях составляют в среднем 45—55% от веса его порожнем, и поэтому особое внимание при проектировании следует обра­щать на возможно большее уменьшение именно этих составляю­щих нагрузки. Анализ характеристик различных материалов показал, что наиболее приемлемы для судов на подводных крыльях такие материалы, как дюралюминий, используемый для изготовления клепаных корпусов, алюминиевомагниевые сплавы различных марок, применяемые для корпусов в сварном испол­нении, а также нержавеющие стали, используемые для изготов­ления крыльевых устройств.

Снижение веса корпуса и крыльевого устройства судна на подводных крыльях во многом зависит от рационального выбора элементов конструкций корпуса и крыльевого устройства на ос­нове правильно установленных действующих внешних нагрузок. Для крыльевых устройств дополнительные резервы в снижении веса можно найти также в результате применения других (вза­мен нержавеющей стали) материалов. На теплоходах «Чайка», «Беларусь» и «Буревестник» крыльевые устройства выполнены из алюминиевомагниевых сплавов типа АМг-61. При этом эко­номия составляет 50—65% от веса крыльевого устройства из нержавеющей стали. Опыт эксплуатации этих судов в 1963—. 1964 гг. показал достаточную прочность крыльевых устройств из алюминиевомагниевых сплавов не только при нормальной эксплуатации, но и в случае ударов о плавающие бревна, а также при посадке на мель. В настоящее время необходимо экспериментально установить характеристики усталостной проч­ности и долговечность крыльевых устройств, выполненных из алюминиевомагниевых сплавов.

Большая экономия в весе может быть получена также в ре­зультате применения пластмасс для изготовления крыльевых устройств. Расчеты показывают, что изготовленные из стеклопла­стиков с армированием крыльевые устройства обеспечивают эко­номию в весе для теплоходов типа «Ракета» ~ 700 кг, типа «Метеор» ~ 2000 кг, типа «Комета» ~2300 кг (по сравнению с крыльевыми устройствами из нержавеющей стали).

Экономия в весе при создании изоляции и при отделке судов достигается благодаря применению пленочных материалов, а также менее шумных механизмов и устройств, что позволяет уменьшить вес материала, идущего на звукоизоляцию.

Учитывая сравнительно высокую стоимость материалов и обо­рудования, используемых на скоростных судах, необходимо, на­ряду с экономией веса, стремиться к упрощению технологии и уменьшению стоимости постройки этих судов. В некоторых слу­чаях целесообразно пойти на ухудшение гидродинамических и других качеств судна. Так, в последнее время клепаные корпуса из дюралюминия стали заменяться сварными корпусами из алюминиевомагниевых сплавов. Это приводит к некоторому утяжеле­нию конструкции (механические свойства алюминиевомагние­вых сплавов типа АМг-61 хуже, чем у дюралюминия; у Д16АТ G_Т = 3000 кг/см², G_В = 4400 кг/см², у АМг-61 G_т = 1800 кг/см², G_в = 3400 кг/см²), однако оправдано тем, что снижается трудо­емкость и стоимость изготовления, а также улучшаются условия труда рабочих.

Применение клеесварных конструкций из дюралюминия по­зволяет сохранить как весовые, так и прочностные качества кон­струкции при значитель­ном снижении трудоем­кости на изготовление. Такие конструкции при­менены на судах типа «Комета» и «Буревест­ник». В недалеком буду­щем клеесварные кон­струкции как наиболее перспективные найдут широкое применение в конструкциях из легких сплавов. Очень перспек­тивно использование в конструкциях судов на подводных крыльях прес­сованных панелей. Осо­бенно выгодно примене­ние прессованных пане­лей для корпусов с на­весной системой набора. Навесная система (рис. 74) характеризуется тем, что шпан­гоуты «навешены» на продольные ребра жесткости. Примене­ние такой конструкции позволило значительно уменьшить про­тяженность заклепочных или сварных швов и снизить трудоем­кость постройки.

Металлические конструкции судов на подводных крыльях, выполненные из алюминиевых сплавов, с целью защиты от кор­розии покрывают снаружи и изнутри грунтами ВЛ-02. Наружные поверхности дополнительно окрашивают: надводную часть — красками типа ПФ, подводную — красками ЭШЭЛ, ХВ.

Кроме лакокрасочных покрытий подводная часть корпуса морских судов защищается от коррозии электрохимическим способом. Благодаря установке на судах типа «Комета» магние­вых протекторов МЛ-4 или МЛ-5 (на днищевой части корпуса и кронштейнах крыльевого устройства) корпус оказывается полностью защищенным от коррозии. Однако при этом на под­водные крылья, выполненные из нержавеющей стали и электри­чески не изолированные от алюмипиевомагниевого корпуса, ин­тенсивно выпадают солевые отложения, не смываемые водой. Через 20—25 дней слой солей крупнозернистой структуры, отло­жившийся на поверхности крыльевого устройства, приводит к тому, что теплоход выходит на крылья со значительной пере­грузкой главных двигателей или вовсе не выходит на крылья. На преодоление дополнительного сопротивления требуется 100— 150 л. с. Для очистки крыльев необходим подъем теплохода. Очистка от солей производится механически (с помощью наж­дачной шкурки, скребков, шлифовальной машинки) или хими­чески— 3—4%-ным раствором серной кислоты.

Борьба с выпадением солей ведется двумя способами. Пер­вый— покрытие плоскостей крыльев и стоек красками типа ЭСКАП, т. е. изоляция крыльев от корпуса путем окраски.

Хотя такая окраска и не устраняет полностью выпадение солевых осадков, однако сцепление солей с поверхностью крыла значительно уменьшается, в результате соли легко смываются водой при ежедневной эксплуатации или могут удаляться перио­дически через 20—30 дней аквалангистом с помощью жесткой щетки.

Второй способ — электроизоляция от корпуса крыльевого устройства и выступающих частей, выполненных из металла с другим потенциалом, нежели корпусный металл. Изоляция в данном случае производится с помощью прокладок и втулок, устанавливаемых под планшеты и болты крепления. Этот спо­соб более трудоемкий и сложный, но, по-видимому, и более эф­фективный. Оба способа по предотвращению солеотложений проверяются в эксплуатации.

 

 

Силовые установки судов на подводных крыльях.

 

Тип силовой установки на СПК предопределяет прежде всего — необходимая мощность в одном агрегате при минимальном весе, малый удельный расход топлива, небольшие габариты, возможность реверсирования и свободного хода; вы­сокая эксплуатационная надежность, большой моторесурс, низ­кая стоимость. В настоящее время трудно найти двигатель, от­вечающий одновременно всем перечисленным требованиям. Рас­смотрим особенности двигателей различных типов.

Двигатель внутреннего сгорания. Из двигателей внутреннего сгорания наиболее целесообразно применение ди­зелей, работающих на относительно безопасном топливе (по сравнению с бензиновым двигателем). Выпускае­мые промышленностью быстроходные дизели не­ больших габаритов мало расходуют топлива, име­ют сравнительно невысо­кую строительную стои­мость. Реверсивные муфты их обладают свобод­ным ходом, а большие числа оборотов позволяют выбрать гребной винт с высокими пропульсивными характеристиками при относительно небольшом диаметре. Последнее(диаметр гребного вин­та) особенно важно для речных судов на подвод­ных крыльях, осадка ко­торых ограничена. Од­нако небольшой моторе­сурс быстроходных вы­сокооборотных дизелей (500—1000 час.) и отно­сительно небольшая мощ­ность в одном агрегате ограничивают примене­ние дизелей на судах с подводными крыльями, особенно при водоизмещении судов свыше 100 т.

Турбовинтовые двигатели (ТВД), используемые в авиации, имеют небольшие габариты, обладают очень малым удельным весом (0,15—0,3 кг/л, с.), большой мощностью в од­ном агрегате и значительным моторесурсом. Однако применение этих двигателей в судостроении связано с необходимостью ряда переделок. Использование выпускаемых отечественной промышлен­ностью одновальных турбин с приводом на воздушный винт нерационально, поскольку при скоростях 60—70 км/час к. п. д. воздушного винта крайне мал. Возможна установка ТВД с при­водом на гребной винт регулируемого шага (ВРШ). Однако в этом случае необходимо учитывать сложность, повышенную стоимость и недостаточную надежность (особенно в речных за­соренных водах) винтов регулируемого шага.

Наиболее реальна силовая установка с одновальной ТВД и с приводом на водометный движитель. Такая установка пре­дусмотрена на турбоходе «Буревестник» и находится в опытной эксплуатации. Двухвальные турбовинтовые двигатели могут быть применены с приводом на гребной винт фиксированного шага, но в этом случае требуются дополнительные средства для обеспечения заднего хода судна.

Кроме отмеченного, к недостаткам ТВД надо отнести их сравнительно высокую строительную стоимость и большой удель­ный расход топлива. При использовании подобных двигателей на судах всегда нужно помнить о необходимости приспособления ТВД к работе в морских условиях.

Применение на крылатых судах реактивных двигате­лей нецелесообразно ввиду значительного удельного расхода топлива и большой шумности этих двигателей.

На многих построенных судах передача мощности от дви­гателя к гребному винту осуществляется через наклонный валопровод. Для нормальной работы двигателя и гребного винта на­клон валовой линии вала не должен превышать 12—15°. Поэ­тому силовая установка размещается в средних отсеках судна, т. е. вблизи от пассажирских помещений. При таком располо­жении валопровод имеет большую длину и значительный вес, создает дополнительное сопротивление движению, а гребной винт работает в косом потоке. Но несмотря на отмеченные недо­статки передача мощности через наклонный валопровод ока­зывается относительно дешевой, надежной и легко осуще­ствимой.

Создание вертикальных передач мощности позволило бы не только улучшить условия работы гребного винта и расположить силовую установку в кормовых отсеках судна, но и дало бы воз­можность значительно увеличить подъем корпуса судна над во­дой, а следовательно, повысить мореходность судов.

С некоторыми потерями к. п. д. движителя силовую уста­новку можно расположить в кормовых отсеках судна при уста­новке водометного движителя. Такие силовые установки с водо­метными движителями применены на судах «Чайка» (с дизелем типа М-50) и «Буревестник» (с газотурбинным двигателем АИ-20). Кроме возможности расположения силовой установки в кормовых отсеках судна, использование водометных движителей позволяет повысить эксплуатационную надежность движительно-рулевого комплекса, наиболее уязвимого в условиях засоренных фарватеров.

Независимо от расположения по длине судна силовая уста­новка должна управляться из рулевой рубки. Управление сило­вой установкой — запуск, изменение подачи топлива, реверс и останов — могут осуществляться с помощью гидравлической, электрической или электрогидравлической систем или с по­мощью жестких тяг. На построенных судах применен электрический привод пускового клапана и гидравлический привод для управления подачей топлива и реверсом. На рис. 76 показана типовая для всех построенных судов принципиальная схема уп­равления подачей топлива и реверса дизелей типа М-50.

Обеспечение эксплуатационных удобств в обслуживании и выбор размеров машинного отделения сопровождаются противоречивыми предпосылками. Учитывая, что практически все ма­шинное отделение имеет звукоизоляцию и противопожарные по­крытия, целесообразно с целью снижения веса стремиться к уменьшению его размеров. Однако для эксплуатационного об­служивания установки (смена фильтров, смена масла, осмотр соединений системы, работы с вспомогательным энергоагрега­том) необходимо предусмотреть проходы ко всем механизмам (главным и вспомогательным) и оборудованию силовой уста­новки. При обеспечении дистанционного управления не только главными двигателями, но и вспомогательными, эти противоре­чия практически исключаются.

Жесткие требования предъявляются также к системам, об­служивающим силовую установку. Чтобы вес трубопроводов и оборудования был наименьшим, они должны изготавливаться из легких сплавов или из пластмасс. Кроме того, оборудование должно быть расположено так, чтобы длина трубопроводов была минимальной. Иногда целесообразно некоторое снижение долговечности отдельных деталей или узлов с целью значитель­ного уменьшения их веса.

 

Особенности обводов корпуса и выступающих частей судов на подводных крыльях.

Суда на малопогруженных подводных крыльях имеют высо­кое гидродинамическое качество на эксплуатационных скоростях. У современных отечественных судов оно колеблется в пределах 12 - 16. Однако возможность реализации этого качества свя­зана с режимом выхода судна на подводные крылья. Как пока­зано на рис. 31, в районе (0,4 - 0,6) судно на подводных крыльях имеет минимальное гидродинамическое качество. В этом диапазоне расположен так называемый «горб» сопротив­ления. На «горбе» гидродинамическое качество отечественных судов на подводных крыльях составляет 8 - 11.

Наличие «горба» сопротивления, как правило, не позволяет реализовать максимальное гидродинамическое качество при ходе на подводных крыльях, так как параметры движителя вы­бираются не только из условия его оптимальности в районе мак­симального гидродинамического

Рис. 31. Зависимость сопротивления воды движению

судна от скорости.

скорость соответствующая ;

эксплуатационная скорос

качества, но и из условия обес­печения судну упора, необходимого для преодоления «горба» сопротивления, т. е. выхода судна на крылья. Таким образом, од­на из важных задач при проектировании судна на подводных крыльях — повышение гидродинамического качества на

режиме выхода судна на крылья (снижение «горба» сопротивления).

Исследования показывают, что превалирующей составляю­щей сопротивления судна на подводных крыльях на малых скоростях, включая режим выхода, оказывается сопро­тивление его

корпуса. Поэтому правильный выбор формы и обводов корпуса — одна из главных задач, обеспечивающих успешное проектирование судна на подводных крыльях. Проек­тируя корпус, следует учитывать необходимость придания судну хороших мореходных качеств при движении на волнении.

Разработанные для отечественных судов на малопогружен­ных подводных крыльях формы и обводы корпуса су­щественно отличаются от известных обводов водоизмещающих и глиссирующих судов. Корпусам судов на крыльях свойственны килеватость днища, наличие резко выраженных скул и реданов. Килеватость днища, форма и количество реданов, полнота носовой и кормовой оконечностей зависят от назначения судна и в каждом конкретном случае выбираются исходя из условий оптимального взаимодействия с крыльевым устройством и высту­пающими частями. Например, корпус катера «Волга» для обес­печения наибольшего гидродина­мического качества при выходе на крылья и повышения мореход­ности снабжен четырьмя редана­ми. Реданы имеют клиновидную в плане форму, что обусловли­вает при ходе катера на волне­нии (в случае замывания корпуса или провала подводного крыла) вход в воду относительно небольшой части днища. Этому же способствует и килеватость шпангоутов на реданах, которая ме­няется в пределах 12 - 25°, причем кормовым реданам соответствуют меньшие углы. Большое значение при движении на волнении имеет носовой редан, улуч­шающий всхожесть катера на волну.

Корпус катера «Волга» — первый многореданный корпус, созданный применительно к судну на подводных крыльях,— по­казал во взаимодействии с подводными крыльями и выступаю­щими частями высокие гидродинамические характеристики и мореходные качества.

Корпус теплохода «Ракета» имеет один клиновидный редан с углом килеватости 8°, расположенный на расстоянии 0,7 lкр от носового крыла. В кормовой части за реданом расположен кормовой срывник. Такие обводы корпуса обеспечивают во взаимодействии с подводными крыльями необходимую диффе­рентовку корпуса при выходе на крылья и высокое гидродина­мическое качество.

Корпус теплохода «Метеор», рассчитанный на плавание и в водохранилищах, имеет увеличенную килеватость и дополни­тельный носовой редан. Корпуса морских судов «Комета» и «Вихрь» обладают увеличенной килеватостью по сравнению с корпусами речных и озерных судов.

В каждом конкретном случае выбранные в первом прибли­жении форма и обводы корпуса в комплексе с подводными крыльями и выступающими частями должны быть доработаны экспериментально.

Для повышения гидродинамического качества при выходе судна на крылья на морских судах «Комета» и «Вихрь» впер­вые применено среднее крыло. При выходе судна на крылья и замывании корпуса волной среднее крыло работает аналогично редану, значительно снижая сопротивление на этих режимах движения. Параметры и расположение среднего подводного крыла выбирают для конкретных форм и обводов корпуса с уче­том взаимодействия с носовым крылом и кормовым комплексом судна.

К выступающим частям судов на подводных крыльях относятся стойки крыльев, кронштейны, гребные валы, обтека­тели, рули и т. д.

Сопротивление выступающих частей у отечественных судов на малопогруженных подводных крыльях составляет (в процен­тах от полного сопротивления):

Выступающие части выбираются с учетом требований, предъ­являемых к гидродинамике и прочности. Проектируя стойки крыльев и кронштейны, соединенные с крыльями, следует ис­ключать возможность попадания воздуха на засасывающую стенку крыла при срывном обтекании стоек на высоких скоро­стях движения или на циркуляции. Для этого носок стойки и других выступающих частей необходимо перекрывать горизон­тальным козырьком или ставить стойки так, чтобы их носки располагались не ближе '/з хорды от носка крыла. При таком расположении точки максимальных разрежений на поверхности профиля крыла и профиля стойки смещены. Заднюю кромку стоек следует выпускать за заднюю кромку крыла и для высоких скоростей делать ее тупой. Этим достигается от­рывное обтекание стоек, и воздух, проникающий по стойкам, уходит в образовавшуюся за стойкой каверну, не попадая на крыло.

Заметное влияние на величину сопротивления выступающих частей оказывает свободная поверхность. Ввиду образования волн и брызг при пересечении выступающими частями поверх ности воды сопротивление движению увеличивается.

Условия работы рулей судов на подводных крыльях имеют специфическую особенность, заключающуюся в том, что при ходе судна на подводных крыльях руль пересекает поверхность воды. Поэтому при выборе геометрии и места расположения руля следует стремиться к тому, чтобы требуемые усилия на руле, обеспечивающие необходимые эволюции судна, достига­лись в бессрывном диапазоне углов перекладки руля. Угол срыва потока с руля, пересекающего поверхность воды, в широ­ком диапазоне изменения удлинений и профилей сечений состав­ляет 12-15°.

 

Движетели судов на подводных крыльях.

 

Наиболее распространенными типами движетелей судов на подводных крыльях являются гребной винт и водомет. По принципу действия они я вляются водореактивными, так как движущая сила на них создается за счет отбрасывания захватываемых из окружающей среды масс воды в сторону, противоположную направлению движения судна. Иногда на судах на подводных крыльях применяются воздушно-реактивные движетели (воздушный винт, турбореактивный двигатель и др.).

Особенности гидродинамики и проектирования гребных винтов су­дов на подводных крыльях. Гребные винты судов на подводных крыль­ях работают в специфических условиях. Для того, чтобы сохранить необходимое погружение гребному винту при выходе корпуса судна из воды, его исходное погружение должно быть достаточным, чего можно достичь с помощью наклонного валопровода или угловой колонки. Наи­большее распространение на СПК получила установка гребных винтов на наклонных валопроводах. Угол установки валопроводов при этом колеблется от 6 до 15° , т. е. гребной винт работает в условиях косого потока.

При движении судна на подводных крыльях гребной вал пересекает поверхность воды, что может привести к проникновению атмосферного воздуха через зону разрежения, образующуюся вдоль вала, в область ра­боты гребного винта. Это может оказать существенное влияние на его гидродинамические характеристики.

Из-за больших скоростей движения гребные винты судов на под­водных крыльях работают, как правило, в условиях развитой кавита­ции. Отмеченные характерные условия работы гребных винтов судов на подводных крыльях обусловили особенности их проектирования.

Решить задачу гидродинамики гребного винта судна на подводных крыльях с помощью оценки влияния на него отдельных факторов (ко­сого потока, попадания атмосферного воздуха, кавитации и др.) не представляется возможным, так как все эти факторы активно взаимо­действуют. Так, косой поток ускоряет наступление кавитации, засасы­вание атмосферного воздуха и область работы гребного винта может качественно изменить характер кавитации и т. д. Все это приводит к большим трудностям при определении гидродинамических характе­ристик гребных винтов судов на подводных крыльях. Тем не менее, благодаря работам Э. Э. Папмеля, Н. Н. Поляхова, А. М. Басина, В. М. Лаврентьева, И. Я. Миниовича, А. А. Русецкого, Ю. М. Садовникова и др. гидродинамические характеристики гребных винтов судов на подводных крыльях можно определить с достаточной для практических целей точностью.

Выбор геометрии и места расположения гребного винта СПК. Вы­бор геометрии и места расположения гребного винта, обеспечивающих движение судна на подводных крыльях во всем диапазоне его скорости с учетом отмеченных факторов, представляет сложную задачу. К особен­ностям проектирования гребного винта добавляется также специфи­ческий характер кривой сопротивления судна на подводных крыльях по скорости. Наличие „горба" сопротивления может привести к тому, что оптимальный гребной винт для основных режимов движения СПК не обеспечивает выхода судна на подводные крылья или наоборот, оп­тимальный гребной винт для преодоления „горба" сопротивления не обеспечивает заданной скорости или неэкономичен для нее.

В конечном счете пригодность гребного винта для данного судна определяется его паспортной диаграммой, которая представляет собой совокупность взаимно согласованных между собой характеристик корпуса или крыльевого устройства с выступающими частями, двигателя и гребного винта, построенных в зависимости от скорости движения.

При выборе места установки гребного винта СПК стремятся к тому, чтобы избежать засасывания к нему атмосферного воздуха. С этой целью его устанавливают в зоне повышенного давления кормового крыла или защищают от свободной поверхности воды специальными козырьками.

Учитывая, что гребные винты СПК расположены вблизи поверхно­сти воды, а значит, подвержены ударам плавающих в воде тел, особенно в речных условиях, для защиты впереди них устанавливаются специаль­ные отбойники. Откидка лопастей гребного винта в корму способствует смягчению удара при встрече его, например, с топляком.

Частично погруженные гребные винты. Одним из способов сниже­ния осадки судов на подводных крыльях является применение полу­погруженных винтов. При работе гребного винта в условиях ча­стичного погружения в воду значительно ухудшаются его гидродинами­ческие характеристики. Причинами этого являются: уменьшение гид­равлического сечения движителя из-за частичного погружения или по­нижения уровня воды перед гребным винтом; засасывание воздуха из атмосферы и поверхностная кавитация; волнообразование, вызывае­мое гребным винтом, и нестационарность развития подъемной силы на лопастях гребного винта.

В общем виде задача о частично погруженном гребном винте реше­на А. М. Васиным, однако создать практический метод расчета на основе этого решения не удалось. Для разработки такого метода потребовалось проведение широкой программы модельных испытаний, в результате которых были получены необходимые материалы по влиянию пересечения лопастями гребного винта поверхности воды на его гидродинамические характеристики.

На основе полученных материалов сделаны следующие рекоменда­ции по проектированию частично погруженных гребных винтов:

режим работы необходимо выбирать исходя из неравенства ;

относительное погружение Т должно быть не менее 0,4;

дисковое отношение выбирается, как и для глубокопогруженного некавитирующего;

число лопастей должно быть максимально возможным из условия минимальной вибрации;

профиль сечения лопастей рекомендуется принимать в виде плосковыпуклого сегмента;

форму лопастей целесообразно принимать саблевидной.

 

Водометный движетель на судах на подводных крыльях. Скоростные водометные движители впервые созданы в СССР. Эту задачу удалось успешно решить Р. Е. Алексееву в конце 40-х - начале 50-х годов применительно к судам на подводных крыльях. Основными причинами создания скоростных водометных движителей явились: необходимость максимального снижения осадки речных судов на подводных крыльях; требования повышения надежности движителя, работающего вблизи поверхности воды в условиях наибольшей вероятности столкновений с плавающими в ней предметами; попытка исключить или снизить вредные влияния на движитель кавитации и эрозии и обеспечить судну удовлетворительную управляемость на малых скоростях.

При создании водометного движителя газотурбохода „Буревестник" наряду с традиционными решалась принципиально новая задача созда­ния работоспособного двигательно-движительного комплекса — одновальная газовая турбина — водометный движитель. Такая турбина развивает максимальную мощность на определенной частоте враще­ния. Использовать для ее работы обычный гребной винт нельзя, так как, с одной стороны, он требует для раскрутки до требуемой частоты вращения наличия определенной мощности, которой турби­на при малых числах оборотов не располагает, а с другой стороны, он не позволяет регулировать упор, работая на постоянной частоте вращения. В таких условиях можно было бы применить винт регулируемого шага (ВРШ), но создание такого винта для боль­ших мощностей — не менее серьезная проблема.

Разработанные к настоящему времени основы теории и расчета водометных движителей позволяют на первой стадии проектирования осуществлять приближенный выбор основных элементов водомета для СПК. Наибольшее распространение получили методы, разрабо­танные под руководством А. М. Басина и М. А. Мавлюдовым.

Важной особенностью водометеного движетеля является то, что при одном и том же диаметре рабочего колеса на нем можно создать заданный упор при различных массовых расходах воды через движетель.

Учитывая, что гребные винты СПК работают на основных режимах в условиях развитой кавитации, спроектировав водомет, работающий на докавитационных режимах, мы получим относительный выйгрыш по КПД.

Рассмотрим устройство водометного движетеля на примере скоростного катера Б-1. На кактере установлен трехступенчатый водометный движетель.

Насосная часть водомета находится за транцем катера. Забор воды осуществляется через щелевидное отверстие, расположенное впереди кормового крыла катера.

К корпусу катера в транцевой и днищевой частях водозаборник крепится на фланцах. В целях защиты насосной части от попадания по­сторонних предметов на входе в водозаборник установлена съемная решетка с продольными и поперечными ребрами. Съемная конструкция решетки позволяет проводить на одном и том же водозаборнике испы­тания различных решеток и облегчает доступ во внутреннюю часть водозаборника.

Крутящий момент от двигателя к движителю передается через про­межуточный вал. Для передачи упора ротора на корпус используется упорный подшипник, установленный на валу ротора. Фундамент упорно­го подшипника приварен к водозаборнику и крепится к корпусу катера.

Управление и задний ход катера осуществляются поворотом струи, выбрасываемой водометом, с помощью реверсивно-рулевых пластин. Реверсивно-рулевое устройство представляет собой коробку, навешен­ную на сопловую часть водомерного движителя. К коробке на петлях крепятся реверсивно-рулевые пластины. Реверс осуществляется при перекладке рулевых пластин на 90° к ДП катера за счет изменения направления струи с помощью специальных отгибов в нижней части ру­левых пластин. Катер поворачивается на ходу благодаря одновремен­ной перекладке рулевых пластин с борта на борт. Привод управления рулями - электрогидравлический. Каждый баллер соединен со своим гидроцилиндром. Система гидроуправления рулевыми створками расположена на кронштейне за транцем катера. Кнопочное управление системой находится на пульте управления катера.

 

Элементы проектирования СПК.

Требования, предъявляемые к подводным крыльям.

К подводным крыльям как к несущим элементам крылатых судов предъявляется ряд требований, являющихся определяющими при их проектировании. Некоторые из них являются необходимыми для любого типа судна на подводных крыльях, другие – в зависимости от назначения СПК – желательными. К необходимым требованиям относятся следующие:

1. Способность поддержать постоянное значение подъемной силы в широком диапазоне скоростей движения. Это требование вытекает из необходимости стабильного движения судна на подводных крыльях в вертикальной плоскости при изменении скорости его движения (ба­
лансировка судна по скорости).

Для поддержания равенства Y= const при изменении скорости v, соответствующим изменениям должны подвергаться коэффициент подъ­емной силы крыла Су или его площадь S, или Су и 5 одновременно, поэтому балансировка судна по скорости различными конструкторами решается неодинаково.

2. Способность обеспечения судну продольной и боковой остойчи­вости (в дальнейшем — устойчивости) движения. Действительно, по­сле отрыва корпуса судна от воды только подводные крылья, находясь в контакте с водой, способны взять на себя эти функции. Балансиров­ка судна по скорости принципиально обеспечивает одновременно и продольную устойчивость при движении судна на крыльях. Для обес­печения боковой устойчивости этого оказывается недостаточно. Под­
водные крылья для решения этой задачи должны иметь необходимый разнос по ширине (способ Форланини), необходимый размах подвод­ной части (способы Крокко и Р. Е. Алексеева) или устройства для управления (стабилизации) боковым моментом подводных крыльев (спо­соб Гука).

3. Возможность получения максимального гидродинамического качества, т. е. требуемой подъемной силы при минимальном сопротивлении. Это требование может стать необходимым, если энергетические возможности судна ограничены или предъявлены жесткие требования в части экономики. В частном случае, если решается задача получения максимальной скорости или мореходности, это требование может перейти в разряд целесообразных.

Чтобы удовлетворить требованию максимального качества под­водное крыло должно иметь

Су =mах при минимальном значении Сх. Учитывая, что Су и Сх определяются преимущественно удлинением крыла и его профилем, при проектировании крыла с этих позиций осо­бое внимание должно быть уделено выбору удлинения крыла и гео­метрии профиля его сечения. Максимальные значения гидродинамиче­ского качества реальных подводных крыльев могут превы­шать и 25.

4. Способность обеспечения судну требуемых характеристик управляемости и маневренности при движении на подводных крыльях.

5. Возможность обеспечения требуемых характеристик мореходности судна. Применительно к морским СПК это требование является необходимым.

Кроме перечисленных требований, которые в большинстве слу­чаев являются необходимыми при проектировании подводных крыль­ев любого судна типа крылатого, в зависимости от назначения, усло­вий эксплуатации, типа энергетической установки судна к подводным крыльям могут быть предъявлены требования минимального сопро­тивления при выходе судна на крылья, максимальной скорости бескавитационного обтекания, оптимального взаимодействия с корпу­сом при движении на волне, минимальной осадки на мелководье и др. Удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к подводным крыльям, практически невозможно. Поэтому при их проектировании учитываются лишь те требования, которые для данного судна являются главными. Например, если ставится задача получения максимальной скорости при высоком гидродинамическом качестве, то одним из основных требований должно быть обеспечение максимальной ско­рости бескавитационного обтекания подводного крыла. При создании морского судна на передний план выдвигается требование высокой мореходности и т. д. Другие требования удовлетворяются по мере воз­можности.

 

Выбор количества и расположения подводных крыльев по длине судна.

Созданные образцы СПК имеют два основных несущих крыла (для „этажерочных" крыльев они различны в зависимости от скоро­сти) . Устанавливаемые дополнительные подводные крылья выполняют, как правило, функции обеспечения устойчивости движения и море­ходности на переходных режимах.

Расположение подводных крыльев по длине судна определяется преимущественно требованиями продольной устойчивости движения. Здесь основной характеристикой является расположение подводных крыльев относительно центра тяжести судна, которое определяет распределение нагрузки между крыльями.

Из созданных СПК наибольшее распространение получили суда со следующим распределением нагрузки (массы) между крыльями (рис. 19):

1. Носовое и кормовое подводные крылья несут около половины массы судна (например, если на кормовое приходится 60 % массы судна, то на носовое соответственно 40 %).

 

Рис. 19. Расположение подводных крыльев относительно корпуса СПК: а - сплошные крылья (/ -тандем; II -самолетное расположение; III -утка); б - разрезные крылья (I-III- носовое; IV - кормовое)

Обычно кормовое крыло несет несколько больше, чем носовое. Такое распределение массы суд­на между крыльями и соответствующая схема расположения подвод­ных крыльев относительно центра тяжести судна, называются нормаль­ными. По указанной схеме создана большая часть судов на подводных крыльях.

2. Основную массу судна несет одно крыло (80-90 % массы), а вто­рое выполняет функции стабилизатора. При таком распределении мас­сы между подводными крыльями различают две схемы:

одно крыло, несущее 80—90 % массы, расположено в корму от центра тяжести судна, а второе в нос (такая схема называется с носо­вым стабилизатором или уткой);

одно крыло, несущее 80—90 % массы, расположено в нос от центра тяжести судна, а второе в корму (схема называется с кормовым стаби­лизатором, или самолетной).

При расположении подводных крыльев по длине судна следует учи­тывать влияние носового крыла на кормовое.

Выбор площади подводных крыльев.

При установившемся движении СПК Yн + YK =D. Рассмотрим характерные режимы движения судна на подводных крыльях.

1. Режим плавания, когда подъемная сила подводных крыльев не­ значительна и превалируют гидростатические силы корпуса. В этом слу­чае подводные крылья создают лишь дополнительное сопротивление, поэтому целесообразно их выполнять с минимальной площадью.

2. Режим выхода судна на подводные крылья, начинающийся с момента начала подъема носовой части судна и завершаю­щийся отрывом его кормовой части от воды. Этому режиму соответствует максимальное со­противление судна, которое ин­тенсивно снижается при отрыве корпуса от воды. Учитывая, что сопротивление воды движению судна пропорционально квадрату его скорости, максимум сопротивле­ния СПК, соответствующий движению судна на носовом крыле и кор­ме (так называемый горб сопротивления), можно значительно снизить, уменьшив скорость его выхода из воды. Для этого следует увеличить площадь подводных крыльев или их коэффициенты подъемной силы.

3. Режим движения на подводных крыльях, когда выбор площадей подводных крыльев производится исходя из возможности получения максимального гидродинамического качества, условий безотрывного и бескавитационного обтекания подводных крыльев и (для морских судов) из требований мореходности.

Таким образом, требования, предъявляемые к площади подводных крыльев, на разных режимах неодинаковы.

Рассмотрим, как эти требования могут быть реализованы примени­тельно к различным принципиальным схемам подводных крыльев.

Для первого режима малопогруженные и глубокопогруженные ав­томатически управляемые подводные крылья предпочтительнее, так как имеют постоянную минимальную площадь, соответствующую движе­нию на подводных крыльях, а следовательно, и минимальное сопротив­ление.

Для второго режима предпочтительны „этажерочные" и пересекаю­щие поверхности воды V-образные подводные крылья с дополнитель­ной площадью (относительно площади подводных крыльев на основ­ном режиме), которая позволяет осуществить более ранний по скоро­сти выход судна на крылья, а следовательно, и минимальное сопротив­ление на этом режиме.

Для третьего, основного режима движения, преимущество той или иной крыльевой схемы заранее предопределить невозможно, так как оно определяется не только сопротивлением или гидродинамическим качеством.

Учитывая, что эксплуатационные и экономические качества судна определяются основным режимом движения, выбор площадей подвод­ных крыльев осуществляется в первую очередь для этого режима. Если же (например, из-за большого сопротивления) не обеспечивается выход судна на подводные крылья, выбранные площади подводных крыльев могут быть уменьшены.

Опыт создания СПК позволяет дать рекомендации по приближен­ным значениям коэффициентов подъемной силы подводных крыльев, которые могут быть использованы для предварительного выбора их площадей.

Для малопогруженных подводных крыльев с глубинами погруже­ния под свободную поверхность на основном режиме h =0,15 - 0,25 и углами атаки 0,5-2,0° в зависимости от скорости движения могут быть приняты следующие значения Су : при 50-70 км/ч для носо­вого крыла - 0,20-0,15; для кормового-0,25-0,20; при 80-100 км/ч соответственно 0,12-0,08 и 0,16-0,12. Для пересекающих поверхность воды V-образных подводных крыльев с углами атаки 1,0-3,0° значе­ния Су: при 50-70 км/ч соответственно 0,30-0,20 и 0,40-0,30; при 80-100 км/ч - 0,20-0,15 и 0.25-0.18. Для подводных крыльев с углами атаки 2—5° можно принять следующие С_у: при 50-70 км/ч соответственно 0,8 и 0,6; при 80—100 км/ч 0,5 и 0,3.

Приняв в первом приближении эти значения Сyн и Сук, можно вы­брать S_H и S_К.

Заслуживает внимания способ ориентировочной оценки площадей подводных крыльев по значению удельной нагрузки на крыло. В соот­ветствии с ним удельная нагрузка на крыло D/S связана со ско­ростью судна выражением:

Площади крыльев, приближенно выбранные по приведенным спо­собам, в какой-то степени учитывают и режим выхода судна на подвод­ные крылья. У созданных СПК скорость отрыва корпуса от воды = (0,5 - 0,6)

Учитывая, что при и суммарная подъемная сила подводных крыльев должна быть равна массе судна, и принимая = 0,5 , нетрудно получить соотношение

Таким образом, для обеспечения выхода судна на крылья необхо­димо, чтобы произведение C_yS каждого крыла при выходе на крылья было в четыре раза больше, чем на основном режиме. Этого можно до­стичь увеличением С_у и S, или того и другого множителя одновременно.

На судах с V-образными пересекающими поверхность воды подвод­ными крыльями общая площадь носового и кормового крыльев пример­но в два раза больше, чем их погруженная площадь при движении на крыльях. Поэтому для обеспечения выхода на крылья при = 0,5 для этих подводных крыльев достаточно, чтобы их коэффициент подъемной силы при выходе на крылья был в два раза больше, чем на основном режиме.

На судах с мало- и глубокопогруженными крыльями при неизмен­ной площади крыльев вся нагрузка падает на коэффициент подъемной силы, который для обеспечения равенства = 0,5 , должен быть при выходе на крылья в четыре раза больше, чем на основном режиме. Если этого сделать не удастся, то v₀ > 0,5 с соответствующим падением гидродинамического качества при выходе судна на крылья.

 

Выбор типа подводных крыльев.

С помощью V-образной формы подводных крыльев удается эффек­тивно решить принципиальные вопросы стабилизации подъемной силы по скорости и обеспечения продольной устойчивости движения за счет изменения погруженной площади крыльев. Однако вопросы боковой устойчивости с помощью таких подводных крыльев решить трудно, так как при увеличении скорости движения у них с уменьшением пло­щади уменьшается и размах части крыла, погруженной в воду. Так как для обеспечения боковой устойчивости СПК размах погруженной части подводных крыльев должен быть соизмерим с шириной корпуса, при V-образных подводных крыльях их общий размах приходится делать настолько большим, что при этом затрудняется эксплуатация судна, увеличивая осадку и затрудняя швартовку. Сравнительно большая пло­щадь V-образных подводных крыльев приводит также к снижению их гидродинамического качества, расходу дорогостоящих материалов, из которых изготовляются крылья, лишней массе и т. д. Все это приве­ло к тому, что V-образные подводные крылья, применявшиеся на ран­нем этапе развития СПК, со временем уступили трапециевидным и ду­гообразным.

Трапециевидное крыло представляет собой вариант V-образного, центральная часть которого заменена плоской. В большинстве случаев размах плоской части такого крыла соизмерим с шириной корпуса судна. Этого оказывается достаточно для обеспечения требуемых гид­родинамических характеристик крыла, пересекающего поверхность во­ды оставшимися V-образными концами.

Глубина погружения плоской части трапециевидного подводного крыла под поверхность воды на эксплуатационных режимах движения судна, как правило, больше 0,75 хорды крыла, т. е, влияние поверх­ности воды на гидродинамические характеристики плоской части кры­ла практически отсутствует.

Угол наклона V-образных концов трапециевидного крыла к его плоской части принимается в пределах 25—30°. Показано, что при таких углах достигаются наиболее благоприятные условия во избежа­ние попадания атмосферного воздуха с засасывающей поверхности по­груженной в воду части крыла и лучшие характеристики боковой устой­чивости судна. Для повышения эффективности V-образных концов трапециевидных подводных крыльев их делают большей хорды (уширение концов) и с большим на 1— установочным углом атаки, чем у плоской части, а также с профилем, обеспечивающим большие значе­ния коэффициента подъемной силы.

Коэффициент подъемной силы трапециевидного подводного кры­ла меньше, чем у плоского, не пересекающего поверхность воды, так как его наклонные элементы, пересекая поверхность воды, частично оголяются и на них возникает срыв потока. Это приводит к росту со­противления и в конечном итоге — к падению гидродинамического ка­чества.

Дугообразное подводное крыло (например, на судах типа „Аквастрол") представляет собой крыло с переменным углом килеватости, от нуля в центральной части до 25-30° по концам. По гидродинамиче­ским характеристикам оно близко к трапециевидному, несколько уступая ему в гидродинамическом качестве.

Плоское подводное крыло, используемое для судов в качестве мало- и глубокопогруженного, по гидродинамическим характеристи­кам является, по-видимому, наиболее совершенным. Применение его в качестве малопогруженного позволяет за счет влияния свободной по­верхности воды на Су успешно решить вопросы стабилизации подъем­ной силы по скорости и обеспечить продольную и боковую устойчи­вость при ходе на крыльях. Недостаточную устойчивость при выходе на крылья в этом случае несложно обеспечить дополнитель­ным высокорасположенным крылом (стабилизатором).

Использование глубокопогруженного плоского крыла требует ав­томатической системы стабилизации подъемной силы по скорости и обеспечения продольной и боковой устойчивости.

Комбинированное подводное крыло сочетает в себе элементы раз­ных форм подводных крыльев. Примерами комбинированного под­водного крыла являются плоское и трапециевидное крылья с централь­ной V-образной вставкой. Вставка крыла в составе плоской частью „смягчает" ход судна на волне, предотвращает его полное оголение при пересечении волн, улучшает курсовую устойчи­вость судна. На отечественных судах на подводных крыльях широко применяется местная V-образность центральной части крыла. В табл. 23 приведены данные подводных крыльев с общей и местной V-образ-ностью некоторых отечественных судов. Общая V-образность подвод­ных крыльев, как правило, невелика (в пределах 1—5°), местная в средней части (0,2-0,3l) - 10 -25°.

 

Выбор формы крыла в плане.

Наибольшее распространение на практике получили прямоуголь­ные, стреловидные и с уширенными концами подводные крылья (рис. 20). Стреловидность крыла позволяет увеличить скорость его бескавитационного обтекания (рис. 21). К этому следует добавить несколько лучшие мореходные качества стреловидного подводного крыла в связи с его большой протяженностью по длине судна (в большей степени перекрывает волну, уменьшая возможность полного ого­ления крыла при пересечении волны) и его более высокие эксплуатаци­онные показатели (более благоприятное взаимодействие с плавающими в воде предметами - косой удар и отбрасывание их за пределы судна, лучшие маневренные качества и др.),

Уширение по размаху применяется у V-образных и трапециевидных подводных крыльях для повышения боковой устойчивости судна при движении на крыльях.

Носовые подводные крылья известных СПК имеют угол стреловид­ности от 15 до 40° (более скоростные суда имеют больший угол стрело­видности), кормовые — 5—10°.