КИЛЬ С ИЗМЕНЯЕМЫМ ПРОФИЛЕМ

Заявляемая полезная модель относится к судостроению и может быть использована при постройке спортивных и крейсерских парусных яхт.
Известно техническое решение «Способ компенсации дрейфа и повышения остойчивости парусного судна на ходу и устройство для его осуществления.» (патент SU 1459968 А1). Недостаток этого решения, сложность самого устройства и невысокая эффективность разрезных крыльев слишком малого относительного удлинения (большая по площади часть киля, обычный плавник с неизменяемым профилем). Требуется значительное время настройки механизма, что неприемлемо для спортивных судов.
Известна, распространенная в последнее время, конструкция яхт с качающимся килем, в виде плавника большого относительного удлинения с бульбом на конце, имеющим возможность поворота в плоскости перпендикулярной диаметральной плоскости яхты (журнал «Катера и яхты» №1 (217) 2009 г., стр.132-133). К недостаткам качающегося киля относится его значительный вес (иногда более 50% водоизмещения), большая осадка яхты и то, что обеспечивая откренивающий момент, он не противодействует дрейфу на боковых курсах. Для устранения этого, с подветренной стороны корпуса выдвигается как минимум один шверт (журнал «Катера и яхты» №1 (183) 2003 г., стр.64-65), что усложняет конструкцию яхты и существенно увеличивает смоченную поверхность. Управление килем осуществляется мощным и тяжелым гидроприводом, занимающим много места. Появляется дополнительное окно в днище, что нередко служит причиной аварий (журнал «Катера и яхты» №1 (217) 2009 г., стр.133). Удлиненный плавник с тяжелым бульбом на конце, излишне увеличивает продольный момент инерции яхты, это приводит к увеличению сопротивления движению при ходе против волны.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, является «Киль изменяемой формы с боковыми упругими пластинами» (Авторское свидетельство SU 1041390А). Недостаток предлагаемой конструкции в том, что воздействуя толкателем на боковую пластину лишь в одной точке, нереально получить эффективно работающий профиль киля. При перемещении толкателя в одно из крайних положений, для изменения кривизны пластины, внутренний объем киля увеличивается, и на некоторое время образуется разность давлений внутри и снаружи киля, вследствии того, что пластины свободно вставлены в пазы без дополнительного крепления, при движении яхты это может привести к возникновению флаттера (самовозбуждающиеся колебания неустойчивого тела под воздействием аэрогидродинамических сил). Подъем и спуск штока вручную возможны только для малых яхт.
Техническая задача, на которую направлена заявляемая полезная модель - повышение динамической остойчивости яхты, путем создания дополнительного регулируемого откренивающего момента, плавником бульбкиля, а также снижение продольного момента инерции яхты.
Решение поставленной задачи позволит получить откренивающий момент, достаточный для движения яхты на боковых курсах без крена, в различных условиях плавания, уменьшить вес бульба и дополнительного, размещаемого в корпусе яхты балласта, нести большую парусную нагрузку. Снижение продольного момента инерции, значительно уменьшает сопротивление движению яхты курсом бейдевинд и при килевой качке. Все это в конечном итоге дает выигрыш в скорости.
Для достижения указанных технических результатов, киль установленный на днище в диаметральной плоскости (ДП) яхты, состоящий из плавника и бульба (фиг.1, 2) имеет жесткий каркас (фиг.5), образованный лонжеронами (продольные силовые балки) 1 (фиг.3, 5, 6-8), кормовым обтекателем плавника 2 (фиг.1, 5, 6-8) и поперечными ребрами жесткости 3 (фиг.3, 5, 7, 8). На нижнем конце каркаса закреплен бульб 4 (фиг.1, 2, 5), имеющий в поперечном сечении профиль двояковыпуклой линзы А-А (фиг.1). Боковые поверхности плавника выполнены подвижными в виде упругих пластин 5 (фиг.1, 6-8, 9, 10), облегающих каркас. С внутренней стороны, пластины усилены стрингерами 6 (фиг.6-8, 9, 10), сохраняющими форму пластин в продольном направлении, но не препятствующими изгибу их в поперечном. Передняя кромка плавника образована поворотными створками 7 (фиг.1, 5, 6-8, 10), имеющими общую ось 8 (фиг.5, 6-8, 9). Створки сопряжены с боковыми пластинами, посредством соединительных направляющих планок 9 (фиг.5, 6-8, 9, 10), через прорези 10 (фиг.5, 9) в передней части пластин. Длина прорезей превышает длину планок, поэтому пластины имеют возможность перемещения относительно створок. Планки одновременно являются ограничителями, препятствующими выходу пластин из зацепления со створками. Задние кромки боковых пластин соединены шарнирно на неподвижной оси 11 (фиг.5, 6-8). Кормовая кромка плавника образована обтекателем 2 (фиг.1, 5, 6-8), предотвращающим срыв потока и образование завихрений. На обеих боковых поверхностях плавника размещены клапаны; впускной 12 (фиг.1) и два выпускных 13 (фиг.1). Внутри каркаса имеется ряд вертикально расположенных эксцентриков 14 (фиг.5, 6-8), закрепленных на осях 15 (фиг.5, 6-8). Верхние концы осей проходят через уплотнения 16 (фиг.5), сквозь отверстия в киле и днище, и соединены кинематически между собой цепной передачей 17 (фиг.5) внутри корпуса яхты. Звездочки 18 (фиг.4) передачи содержат одинаковое количество зубьев. Эксцентрики имеют возможность синхронного поворота на угол до 90 градусов от ДП, в сторону правого и левого борта. В среднем положение эксцентриков, их оси симметрии совпадают с ДП, и профиль плавника имеет симметричную форму (фиг.6). При повороте, эксцентрики воздействуют на внутреннюю поверхность боковой пластины, в сторону которой производится поворот, изгибая ее. Эксцентриситеты эксцентриков различны и подобраны так, что при их повороте плавник приобретает форму крыла (фиг.7, 8). Максимальная толщина крыла напрямую зависит от угла поворота эксцентриков. Для ускоренного возвращения изогнутой пластины в исходное положение и плотного прилегания к каркасу, внутри пластины стянуты пружинами 19 (фиг.6-8, 10).
Каркас плавника изготавливается из нержавеющей стали, или из легированной стали с гальваническим покрытием. Бульб литой из чугуна. Створки, оси, соединительные планки, стрингеры, стяжные пружины - нержавеющая сталь. Эксцентрики из нержавеющей стали, цельные или пустотелые, либо верхние ряды пустотелые, нижние цельные, для увеличения веса нижней части киля. Боковые пластины из титанового сплава или из пружинящей нержавеющей стали. Не следует применять углепластик в качестве материала для боковых пластин, т.к. вследствии особенностей его механических свойств, возможно возникновение флатера (журнал «Катера и яхты» №5 (192) 2004 г., стр.73-74).
Отличительными признаками заявляемой полезной модели от ближайшего аналога являются: наличие эксцентриков внутри каркаса плавника, поворотом которых с помощью механизма расположенного внутри корпуса яхты, возможно плавно изменять кривизну боковых пластин, изменяя профиль плавника от симметричного до максимальной ассимметрии, а также наличие клапанов и стяжных пружин, обеспечивающих ускоренный возврат изогнутой пластины в исходное положение и плотное прилегание пластин к каркасу плавника. На нижнем конце плавника закреплен бульб, имеющий в поперечном сечение профиль двояковыпуклой линзы, большая ось симметрии которого совпадает с ДП яхты.
Благодаря наличию этих признаков, полный откренивающий момент, при движении яхты на боковых курсах, равен сумме моментов создаваемых плавником, имеющим форму крыла и весом бульба, что обеспечивает возможность яхте двигаться без крена. При этом киль эффективно противодействует дрейфу без применения швертов, а значит и без увеличения смоченной поверхности. Дополнительный откренивающий момент, создаваемый плавником, позволяет установку киля меньшего относительного удлинения (по сравнению с качающимся килем), для получения оптимального продольного момента инерции и меньшей осадки яхты. Бульб с обтекаемым в ДП профилем, исключает срыв потоков на его верхней и нижней сторонах, создающих дополнительное сопротивление движению при килевой качке (К.Рейнке и др. «Постройка яхт» изд. Судостроение 1986 г. Стр. 46).
Оптимальный продольный момент инерции яхты и устранение срыва потоков на бульбе, значительно (минимум на 25%) снижает сопротивление движению при ходе курсом бейдевинд и при килевой качке (журнал «Катера и яхты» №1 (183) 2003 г., стр.65).
Заявляемая полезная модель иллюстрируется графическими материалами, представленными на листах 1-4.
Лист 1. На чертежах (фиг.1, 2) изображен общий вид киля, где:
2 - кормовой обтекатель плавника, 4 - бульб, 5 - боковая пластина, 7 - створка, 12, 13 - клапаны, 20 - днище яхты.
(фиг.3) где: 1 - лонжероны, 3 - ребро жесткости каркаса.
(фиг.4) схема цепной передачи привода эксцентриков, где:
21 - звездочки, 22 - втулочно-роликовая цепь, 23 - натяжные ролики цепи.
Лист 2. На чертеже (фиг.5) изображен плавник без боковой пластины и показано взаимное расположение деталей внутри плавника, где:
1 - лонжероны, 2 - кормовой обтекатель плавника, 3 - ребра жесткости каркаса, 4 - бульб, 7 - створки, 8 - ось створок, 9 - соединительные планки, 10 - прорези в пластинах, 11 - ось шарнира задних кромок боковых пластин, 14 - эксцентрики, 15 - оси эксцентриков, 16 - уплотнения осей эксцентриков, 17 - цепная передача, 24 - червячный редуктор.
Не показаны стрингеры, стяжные пружины и натяжные ролики цепи. Лист 3. На чертежах (фиг.6, 7, 8) изображен поперечный разрез плавника, где:
1 - лонжероны, 2 - кормовой обтекатель плавника, 3 - ребра жесткости каркаса, 5 - боковые пластины, 6 - стрингеры, 7 - створки, 8 - ось створок, 9 - соединительные планки, 11 - ось шарнира задних кромок боковых пластин, 14 - эксцентрики, 15 - оси эксцентриков, 19 - стяжные пружины.
(фиг.6) - эксцентрики находятся в среднем положении, профиль плавника симметричный, яхта идет курсом фордевинд.
(фиг.7) - эксцентрики повернуты в сторону левого борта, при ходе яхты правым галсом.
(фиг.8) - эксцентрики повернуты в сторону правого борта, яхта идет левым галсом.
Лист 4. На чертежах (фиг.9, 10) показано соединение пластин со створками, где: 5 - боковая пластина, 6 - стрингер, 7 - створка, 8 - ось створок, 9 - соединительная направляющая планка, 10 - прорезь в боковой пластине, 19 - стяжная пружина.
Киль с изменяемым профилем, работает следующим образом: при спуске яхты, давлением воды открываются впускные клапаны 12 (фиг.1), вода заполняет свободный внутренний объем плавника, вытесняя воздух через верхние выпускные клапаны 13 (фиг.1). При ходе яхты курсом фордевинд, эксцентрики находятся в среднем положении, плавник имеет симметричную форму профиля (фиг.6), сопротивление движению минимальное. При ходе яхты на боковых курсах, для противодействия крену, возникающему от давления ветра на паруса, эксцентрики поворачивают в сторону подветренного борта посредством червячного редуктора 24 (фиг.5). Боковая пластина, на которую воздействуют эксцентрики при повороте, изгибаясь смещается относительно сопряженной створки, разворачивая последнюю в сторону изгиба, плавник приобретает форму крыла (фиг.7, 8). В следствии образующейся разности давлений на боковых поверхностях плавника при движении яхты, возникает гидродинамическая подъемная сила, направленная в сторону изогнутой пластины, создающая откренивающий момент. Полный откренивающий момент равен сумме моментов создаваемых плавником и весом бульба. Для движения без крена или с наивыгоднейшим углом крена, в различных условиях плавания, момент создаваемый плавником, возможно оперативно менять, изменяя угол поворота эксцентриков. Увеличивающийся внутренний объем плавника заполняется водой через впускные клапаны. При возврате эксцентриков в среднее положение, изогнутая боковая пластина, благодаря своим пружинным свойствам и усилию стяжных пружин, возвращается в исходное положение вместе с соответствующей створкой, выдавливая «лишнюю» воду через выпускные клапаны.
На яхтах длиной до 12-14 метров, возможно изменять положение эксцентриков вручную с помощью червячного редуктора. На крупных энерговооруженых яхтах, привод редуктора осуществляется электромотором, управляемым непосредственно с места рулевого.