БЫСТРОХОДНОЕ СУДНО С ГАЗОВОЙ СМАЗКОЙ ДНИЩА

Полезная модель относится к области судостроения, в частности к проектированию и строительству корпусов глиссирующих судов с динамическими принципами поддержания, использующих эффект снижения гидродинамического сопротивления за счет вывода под днище катера сжатого воздуха или выхлопных газов.
Известны различные способы уменьшения поверхностного трения при движении тела в воде, заключающиеся в создании воздушного слоя под днищем движущегося судна, например, реализуемые в судах на подводных крыльях, судах на воздушной подушке или в судах с газовой каверной в днище. Такие способы хотя и позволяют уменьшить трение корпуса судна о воду, но весьма сложны в конструктивном исполнении, требуют значительного расхода воздуха для своего осуществления, и, как следствие, наличия мощных компрессоров на борту судна.
При этом если у судов на воздушной подушке вся масса поддерживается над опорной поверхностью силами избыточного давления постоянно нагнетаемого воздуха и носит статический характер, то у судов с воздушной каверной их масса на ходу поддерживается динамической реакцией воды, действующей на днище. А вследствие повышения давления воздуха под днищем катера при его движении, вблизи опорной поверхности при определенной геометрии днища образуется и удерживается воздушный пузырь (каверна), который играет роль воздушной смазки.
Известны глиссирующие суда (см. катер «Сайгак» проект 14081, катер «Жулан» проекта 14082, катер «Мустанг-1» проекта 14083), у которых для уменьшения поверхностного трения корпуса под днище специальной формы, с выполненной в нем выемкой со сводом, нагнетают сжатый воздух и/или выхлопные газы, создающие устойчивый газо-воздушный пузырь (каверну), значительно снижающий гидродинамическое сопротивление за счет наличия «воздушной смазки» между днищем судна и поверхностью воды (см. https://msd.com.ua/katera/pod-dnishhem-gazovaya-kaverna/).
Основными недостатками этих судов являются, прежде всего, сложная форма днища, необходимая для удержания каверны в заданных координатах. Кроме того, указанные суда имеют ограничения по мореходности (балльности) подобных корпусов, связанных с выбиванием каверны из-под днища в условиях развитого волнения.
Известно быстроходное судно по патенту на изобретение №2176608, МПК В63В 1/18, В63Н 11/02, опубл. 10.12.2001 г., включающее корпус с поперечным реданом, бортовыми скегами и транцем, ограничивающими выемку со сводом на днище, и водометные движители. Насадки с вентилируемым и рабочими колесами водометных движителей закреплены за транцем так, что нижний край насадки выступает под свод выемки на днище на величину в диапазоне от 10 до 80% от диаметра насадки. Туннели водоводов в корпусе имеют верхний свод в виде цилиндрической поверхности, плавно поднимающейся вдоль корпуса выпуклостью вниз от свода выемки днища до транца. Внутри корпуса установлено устройство для поддува воздуха и/или выхлопных газов в зареданную часть с помощью каналов к отверстиям круглой формы. При движении быстроходного судна на расчетной скорости в зареданной днищевой выемке образуется газовая (воздушная) каверна, в которую подается воздух и/или выхлопные газы из устройства для поддува и которая замыкается на свод выемки днища.
Недостатком известного судна является утяжеление конструкции днища в связи с необходимостью усиления элементов днища, являющихся концентраторами напряжений при знакопеременных нагрузках, а также снижение мореходности в условиях развитого волнения из-за выбивания газовой (воздушной) каверны из-под днища.
Известно водоизмещающее судно с воздушными кавернами в днище по патенту на изобретение №2461489, МПК В63В 1/38, В63Н 11/02, опубл. 20.09.2012 г., оборудованное устройством для создания под днищем искусственных каверн, включающим систему кавернообразования, состоящую из следующих друг за другом по длине судна расположенных на днище поперечных насадков в виде наклонных пластин и побортно установленных на днище продольных ограничительных килей. Судно имеет также источник принудительной подачи по трубопроводам воздуха под днище судна для создания и поддержания образованных за поперечными насадками каверн. Система кавернообразования выполнена убирающейся, для чего поперечные насадки и продольные кили выполнены с возможностью их раскрытия и складывания с прилеганием к днищу путем их поворота вокруг своих продольных осей, расположенных на днище судна.
Это водоизмещающее судно обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками в условиях ограниченности фарватера и на мелководье за счет сохранения расчетной осадки судна и, соответственно, снижения его сопротивления на волнении, а также исключает возможность повреждения выступающих насадков и ограничительных килей. Однако, как и у описанных выше судов с воздушной каверной в днище, основным недостатком известного является сложная конструкция днища корпуса, что приводит к существенному удорожанию при изготовлении и снижению ее надежности, а также ограничение по мореходности корпуса, связанное с выбиванием воздушной каверны из-под днища в условиях движения на значительном волнении.
Известен глиссер для плавания с применением газовой прослойки под днищем по авторскому свидетельству №85781 от 14.01.1949 г., опубл. в 1951 г., в котором газовая прослойка под днищем образуется выпуском выхлопных газов в зареданное пространство и под редан, причем поток газов за редан и под редан регулируется задвижками, установленными на газопроводах. В указанном глиссере отверстие для выпуска выхлопных газов под редан выполнено в форме узкой щели в днище, расположенной поперек корпуса вблизи носовой кромки смоченной поверхности днища и направленной в сторону, противоположную движению, причем в месте образования щели предусмотрен уступ, подобный редану и по высоте равный величине щели. У этого судна выхлопные газы от двигателя поступают по трубопроводу в газовую коробку, откуда частично по другому трубопроводу направляются в зареданное пространство, а частично через щель в газовой коробке - под редан.
Тем самым конструкция судна предусматривает обязательное наличие редана, в который и/или за который подаются выхлопные газы, причем, как следует из чертежей и описания, на корпусе должен быть выполнен поперечный редан, что является частным случаем выполнения корпуса судна, который может быть и безреданным. Упомянутая выше узкая щель в корпусе судна, предназначенная для выхода выхлопных газов, как показано на фиг. 2, образована по линии клепаного соединения газовой коробки и металлического днища судна, а уступ формируется толщиной днища корпуса, причем высота щели равна высоте этого уступа. Такая конструкция корпуса судна неизбежно приведет к ослаблению его прочности, особенно при сильном волнении.
Кроме того, такие щели не обеспечивают равномерность распределения газов под днищем, что приводит к неполному покрытию смоченной поверхности днища «газовой смазкой», при этом под днищем образуется только узкая продольная полоска газа, пузырьки которого быстро «схлопываются», не доходя до конца поверхности днища, т.к. любой редан создает за собой разрежение (зону пониженного давления). Это явление существенно снижает эффект «газовой смазки», и тем самым не позволяет судну достигать больших скоростей.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является сверхскоростное морское судно на газовой пленке по патенту Китая № CN 102390482, МПК В63В 1/38, опубл. 28.03.2012 г., принятое за прототип. Указанное сверхскоростное судно содержит корпус и размещенный в нем газораспределительный трансмиссионный механизм, включающий главный воздуховод, соединенный через небольшой воздушный насос с судовым двигателем, а также газовый клапан, соединенный направляющими воздушными трубками каждой ступени внутреннего объема корабельного днища с накопительными газовыми камерами тех же ступеней; в каждой накопительной газовой камере сформирована внутренняя воздушная камера, сообщающаяся с V-образной выхлопной щелью, расположенной с одной стороны внутренней воздушной камеры и подающей выхлопные газы к нижней поверхности корпуса судна. При этом каждые две выхлопные щели V-образной формы расположены по обе стороны от продольной оси днища судна и направлены назад под острым углом, симметрично оси. Кроме того, на обеих сторонах донной поверхности судна предусмотрена канавка для предотвращения утечки газа, соответствующая длине донной поверхности судна, а количество многоступенчатых механизмов в емкости днища корабля устанавливается в зависимости от размера корпуса.
Данное техническое решение позволяет повысить скорость судна и скорректировать влияние на скорость значительных весогабаритных характеристик судна за счет формирования слоя газа между нижней поверхностью движущегося корабля и водой, который значительно уменьшает зону контакта между ними. В то же время, как следует из описания к патенту, это решение применимо в большей степени к судам на воздушной подушке, конструкция которых в принципе является громоздкой, а их вес достаточно велик, чтобы не позволить таким судам развивать высокую скорость. Для малых же быстроходных судов предложенная в патенте система создания газо-воздушной пленки под корпусом судна получается слишком сложной и не эффективной, поскольку при глиссировании передняя пара щелей (а может быть, и следующая пара) окажется вне зоны контакта днища судна с водой, и выхлопные газы или воздух под большим давлением будут выпускаться через щели наружу вхолостую, не создавая газовой пленки между корпусом и водой. Либо же эта часть щелей должна быть перекрыта с помощью газового клапана, входящего в газораспределительный трансмиссионный механизм, что потребует дополнительного оборудования и программного обеспечения для контроля и управления этим клапаном, тем самым повышая затраты на такую конструкцию судна.
В то же время щели, которые окажутся в зоне контакта корпуса судна с водой, не смогут обеспечить равномерного распределения выхлопных газов под днищем судна, поскольку эти газы при отсутствии препятствия из зоны пониженного давления после выхода из щелей, по мере продвижения вдоль корпуса, попадают в зону обычного давления, где пузырьки газа быстро сжимаются, не доходя до конца днища и не образуя плотного газового слоя между корпусом судна и водой, что не позволяет получить устойчивого эффекта «газовой смазки» и тем самым снижает скоростные возможности судна.
Кроме того, расположение щелей по направлению движения судна под острым углом к плоскости симметрии катера (ДП) соответствует направлению схода водяных потоков вдоль днища при ходовом дифференте глиссирования, когда нос катера задран. Эти водяные потоки увлекают за собой газо-воздушные потоки, впрыскиваемые под днище, от центра к краям, где должны задерживаться боковыми канавками в донной поверхности судна и направляться к корме. На практике такая конструкция приводит к образованию под днищем двух воздушных потоков вдоль канавок, причем чем больше скорость, тем сильнее воздушные потоки прижимаются к боковым канавкам корпуса, тем самым также препятствуя образованию «газовой смазки» под всей поверхностью днища.
Заявленная полезная модель решает задачу создания быстроходного маломерного судна с повышенной скоростью без использования днища специальной формы и без практического ограничения по мореходности, в отличие от судов с применением кавернообразования.
Технический результат от использования данной полезной модели заключается в повышении мореходности и скорости движения судна за счет эффективного нагнетания выхлопных газов под днище судна с образованием так называемой «газовой смазки», а также в повышении экономичности его изготовления и эксплуатации благодаря использованию простого по форме стандартного днища, более дешевого и технологичного, без ограничений по гидродинамической модели (например, моногедрон, днище переменной килеватости и т.д.).
Указанный технический результат достигается тем, что быстроходное судно с газовой смазкой днища содержит корпус с размещенной в нем газораспределительной передающей системой, включающей газовод, соединенный одним концом с судовым двигателем, а другим концом с распределительной газовой камерой, сообщающейся с узкими выхлопными щелями, подающими выхлопные газы к нижней поверхности корпуса судна, при этом каждые две выхлопные щели расположены попарно симметрично по обе стороны от продольной оси днища судна.
Согласно полезной модели, выхлопные щели сформированы в днище судна за носовой кромкой смоченной поверхности днища вблизи нее, направлены назад, в сторону, противоположную направлению движения судна, под углом к его продольной оси, а на нижней границе каждой выхлопной щели установлена наделка, выполненная в виде планки обтекаемой формы, при этом длина наделки должна быть не меньше длины выхлопной щели, а высота зависит от размеров смоченной поверхности днища и ширины щели.
В днище судна формируется по меньшей мере одна пара выхлопных щелей, а количество пар выхлопных щелей в днище судна определяется в зависимости от размера корпуса и мощности установленного двигателя.
Указанные выхлопные щели сформированы в днище судна под углом от 50° до 90° к продольной оси, а площадь отверстия каждой выхлопной щели должна быть не меньше площади сечения газовода, чтобы не создавать повышенного сопротивления в каналах выхлопных газов и обеспечить равномерное распределение выхлопных газов по поверхности днища.
Каждая наделка выполнена в виде планки преимущественно полукруглого сечения.
Кроме того, корпус судна может быть выполнен из стали, алюминиевых сплавов либо из композитного материала, а наделки также могут быть выполнены из нержавеющей стали или из алюминиевого сплава и устанавливаются на днище корпуса с помощью винтового соединения.
Кроме того, газовая камера может быть выполнена в виде по меньшей мере двух отдельных газовых камер, связанных газоводом с судовым двигателем, по числу выхлопных щелей.
Полезная модель поясняется чертежами, на которых показано: на фиг. 1 - общий вид быстроходного судна (продольный разрез); на фиг. 2 (а, б) - вид быстроходного судна снизу и распределение давления в зоне смоченной поверхности; на фиг. 3 (а, б) - сечение выхлопной щели с установленной наделкой и распределение давления в зоне наделки; на фиг. 4 - вид днища судна, на котором показано расположение щелей и наделок; на фиг. 5 - вид днища судна в варианте исполнения с двумя парами щелей.
Заявленное быстроходное судно включает корпус 1, внутри которого размещена газораспределительная передающая система, включающая судовой двигатель 2, в процессе работы создающий поток выхлопных газов, которые через газовод 3 поступают в распределительную газовую камеру 4.
Корпус 1 судна может быть выполнен из стали либо алюминиевых сплавов, но преимущество в изготовлении корпусов маломерных судов в последние годы отдается композитным материалам.
Распределительная газовая камера 4 предназначена для подачи выхлопных газов под давлением через выхлопные щели 5 под днище судна и может быть выполнена либо в виде единого объема, либо в виде нескольких отдельных камер по числу щелей, связанных газоводом 3 с судовым двигателем 2.
В варианте исполнения судна функцию газовой камеры 4 может выполнять расширение на конце газовода 3, прямо подающее выхлопные газы от судового двигателя 2 к выхлопным щелям 5.
Узкие выхлопные щели 5, с которыми сообщается распределительная газовая камера 4, выполнены преимущественно прямоугольной формы в плане и сформированы в днище судна для подачи выхлопных газов к нижней поверхности корпуса 1 судна. При этом каждые две выхлопные щели 5 расположены попарно симметрично по обе стороны от продольной оси днища судна и направлены назад (в сторону, противоположную направлению движения судна) под углом к продольной оси. Угол α, под которым расположены щели 5 (как показано на фиг. 4), зависит от килеватости судна: чем выше угол килеватости, тем меньше угол наклона щелей, и в вариантах исполнения может составлять от 50 до 90°. Оптимально этот угол составляет примерно 60°.
Выхлопные щели 5 расположены на днище судна за носовой кромкой смоченной поверхности 6 днища вблизи нее, таким образом, чтобы они были всегда в смоченной зоне, причем чем ближе к началу зоны смоченной поверхности, тем лучше. Практические исследования, проведенные авторами изобретения, показывают, что выхлопные щели 5 должны быть выполнены, например, на расстоянии не более 7-10 см от носовой кромки смоченной поверхности днища.
Площадь и форма смоченной поверхности 6 определяются расчетным путем, исходя из заданной скорости движения, угла килеватости корпуса и, соответственно, динамической подъемной силы, возникающей в результате набегания потока на поверхность днища под определенным углом атаки (ходовой дифферент). Проекция смоченной поверхности на днище судна зависит от дифферента корпуса при глиссировании. При опущенном носе смоченная поверхность может начинаться прямо от форштевня.
Длина выхлопных щелей 5 должна быть такой, чтобы перекрыть всю ширину начала смоченной поверхности 6 днища судна. Сечение щелей 5 зависит от характеристик судового двигателя 2, в частности, от его способности производить выхлопные газы достаточного объема, и должно соответствовать значениям выхлопного сопротивления двигателя, указанным в руководстве по эксплуатации двигателя.
При этом площадь отверстия каждой выхлопной щели 5 должна быть не меньше площади сечения газовода, с тем, чтобы не создавать повышенного сопротивления в каналах выхлопных газов и обеспечить равномерное распределение выхлопных газов по всей ширине смоченной поверхности 6 днища.
В днище судна формируется по меньшей мере одна пара выхлопных щелей 5, а количество пар выхлопных щелей в днище судна определяется в зависимости от размера корпуса и мощности установленного двигателя.
На фиг. 5 представлен вариант исполнения корпуса с двумя парами выхлопных щелей 5, расположенных за двумя поперечными реданами 9. Как известно, поперечные реданы разбивают глиссирующую смоченную поверхность на части, и поэтому имеет смысл организовывать газовую смазку для каждой отдельной смоченной поверхности. В приведенном случае с двумя поперечными реданами 9 выхлопные щели 5 установлены в начале смоченной поверхности 6 как после первого редана 9, для образования газовой смазки смоченной поверхности между первым и вторым поперечными реданами, так и после второго редана 9.
На нижней границе каждой выхлопной щели 5 установлена наделка 7, выполненная в виде планки округлого сечения, длина которой не меньше длины выхлопной щели 5, а высота зависит от требуемого диапазона рабочих скоростей, расстояния до транца, объема выпускаемых газов, мощности двигателя. Например, для корпуса длиной 12 метров высота наделки составляет примерно 6-7 мм и подбирается экспериментально. При этом ширина наделки 7 составит от 6 до 8 мм. Поперечное сечение наделки 7 может представлять собой полукруг, или полуовал, или быть иной обтекаемой формы.
Наделки 7, как и корпус судна, в вариантах изготовления могут быть выполнены из композитного материала либо металлическими (что предпочтительнее), например, из нержавеющей стали или из алюминиевого сплава, и устанавливаются на днище корпуса с помощью винтового соединения (привинчиваются к корпусу в указанном выше положении). В принципе, наделки могут быть установлены на корпусе и другим способом, например, с помощью склеивания, сварки и т.д.
По сути своей наделка 7 представляет собой интерцептор, расположенный поперек потока и, соответственно, создающий перед собой зону повышенного давления.
Применение судового двигателя 2 в качестве средства для поддува выхлопных газов позволяет повысить экономичность изготовления и эксплуатации катера.
Быстроходное судно с газовой смазкой днища в условиях эксплуатации действует следующим образом. При движении судна выхлопные газы от судового двигателя 2 по газоводу 3 поступают в распределительную газовую камеру 4, а от нее через узкие выхлопные щели 5, сформированные в днище, - под днище корпуса 1 в область смоченной поверхности 6 днища. При выходе выхлопных газов в воду образуются мелкие пузырьки газовой смеси, образующие слой газовой смазки 8, по форме максимально приближенной к соответствующей форме смоченной поверхности 6 днища корпуса 1.
Как показали исследования, проведенные авторами полезной модели, в определенном диапазоне скоростей, когда давление выхлопных газов недостаточно, пузырьки, вырываясь из щелей и двигаясь вместе с потоком воды вдоль днища, не «доживают» до транца, схлопываясь примерно в середине пути, тем самым снижая эффект смазки. При использовании же наделки 7, установленной на нижней границе каждой выхлопной щели 5, выхлопные газы впрыскиваются в зону повышенного давления, создаваемую наделкой, в которой образуются пузырьки с высоким внутренним давлением, которые затем, перескакивая через наделку 7, попадают в зону более низкого давления, где расширяются и образуют более плотный газовый слой, прилипающий к днищу в зоне смоченной поверхности (диаграмма распределения воздушно-газовой смазки под днищем судна, полученная авторами в ходе исследований, показана на фиг. 2,б).
Изготовлено несколько опытных образцов заявленного быстроходного судна с применением в качестве силовой установки стационарного дизельного двигателя фирмы «Вольво Пента». Опытные образцы опробованы на практике в условиях навигации. Испытания опытных образцов показали, что полученные винтовые и эксплуатационные характеристики катеров превышают расчетные параметры фирмы «Вольво Пента» по потреблению топлива на 23% и по скорости на 10%.
Испытания показали, что скорость, развиваемая опытными образцами, была выше на 10-15% по сравнению со скоростью известных катеров.
Заявленное быстроходное судно с газовой смазкой днища может быть изготовлено в заводских условиях на обычном оборудовании в обычных условиях производства речных и морских судов.
Выполнение отверстий, выводящих выхлопные газы под днище, в виде щелей, расположенных за носовой кромкой смоченной поверхности днища вблизи нее и под углом к плоскости симметрии катера в направлении, противоположном движению судна, а также установка под каждой щелью наделки позволяет увеличить давление выхлопных газов, что способствует увеличению зоны захвата пузырьками смоченной поверхности днища и создать устойчивую форму мелко-пузырькового газо-воздушного слоя под днищем, соответствующего форме смоченной поверхности корпуса при глиссировании катера. Этот газо-воздушный слой является эффективной «газовой смазкой» днища, снижающей гидродинамическое сопротивление за счет резкого увеличения размера предварительно поджатых газовых пузырьков в пограничном слое после наделки, что способствует образованию более плотного слоя газовых пузырьков в набегающем потоке воды и успешному его распространению по смоченной поверхности в виде равномерного слоя пузырьков по всей площади смоченной поверхности днища, что в конечном итоге приводит к значительному повышению скорости катера и повышению мореходности при сильной волне.