КАТАМАРАН
CATAMARAN

Изобретение относится к области судостроения и касается конструкций катамаранов и двухкорпусных судов с малой площадью ватерлинии.
Известен катамаран с подводным крылом (RU 192130 U1, 2019), содержащий два корпуса, связанных между собой соединительным мостом. Для снижения нагрузок от ударов волн нижняя поверхность моста в носовой оконечности выполнена с наклоном по отношению к основной плоскости судна, обеспечивающим «подъем» моста в носу. Соединительный мост выполнен в виде двух пересекающихся арок, образующих вместе с бортами корпусов свод катамарана в междукорпусном пространстве. Между корпусами ниже ватерлинии установлено крыло, закрепленное на бортах корпусов. Крыло имеет три места фиксации к шпангоуту, два из которых расположены по краям крыла, обеспечивая фиксацию крыла к поверхностям, расположенным ближе к килям корпусов катамарана, а третье расположено на вертикальной стойке по центру крыла и обеспечивает фиксацию к линии пересечения двух арок. Технический результат такого решения заключается в обеспечении жесткости конструкции катамарана, в частности конструкции крыла катамарана и связанного с ней элемента силового набора корпуса катамарана.
Наиболее близким по конструкции к настоящему изобретению является известный катамаран (RU 2025389 С1, 1994), который содержит два корпуса, соединенных между собой мостом, и установленные между корпусами ниже ватерлинии, по меньшей мере, три крыла, два дифферентовочных из которых размещены соответственно под носовой и кормовой оконечностями катамарана, а, по меньшей мере, одно среднее разгружающее крыло расположено между двумя указанными выше крыльями. При этом носовое и кормовое дифферентовочные крылья удалены от центра масс катамарана по его длине на расстояния, равные, соответственно, не менее 30% и 20% от длины корпуса катамарана, а точка приложения подъемной силы, по крайней мере, одного среднего крыла удалена в сторону носовой оконечности катамарана от его центра масс на расстояние, равное 5-20% длины корпуса катамарана. Носовое крыло может быть выполнено V-образным или трапецеидальным в плоскости шпангоута и с углом килеватости его наклонных элементов не менее 10°. Кроме того, оно может быть установлено по высоте с возможностью расположения над свободной горизонтальной поверхностью тихой воды или под этой поверхностью и, соответственно, с высотой возвышения или глубиной погружения, равной не более половины его хорды.
При движении на волнении и вертикальных перемещениях корпусов катамарана из-за вертикальной качки происходит поочередное погружение и всплытие крыльев, что приводит к возрастанию подъемной силы при погружении и ее уменьшению при всплытии, снижая тем самым амплитуды вертикальных перемещений. При колебаниях судна относительно поперечной оси (килевая качка) поочередно носовое или кормовое крыло оказывается вблизи свободной поверхности, в то время как другое - на значительном углублении, благодаря чему возникает стабилизирующий момент, способствующий уменьшению амплитуд килевой качки.
Однако, недостатком упомянутых известных катамаранов с подводными крыльями являются низкие ходовые качества при малых и умеренных скоростях хода как в условиях тихой воды, так и при волнении. При таких скоростях крыло создает малую подъемную силу и имеет низкое гидродинамическое качество. К недостаткам также можно отнести большую интенсивность килевой, вертикальной и бортовой качки, большие ударные нагрузки на конструкции судна, их высокую материалоемкость, низкие комфортабельность и экономическую эффективность.
Задачей настоящего изобретения явилось создание конструкции катамарана, которая обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в уменьшении амплитуд килевой, вертикальной и бортовой качки, в снижении ударных нагрузок на конструкции и в повышении ходовых качеств в условиях волнения, а также в повышении комфортабельности.
Поставленная задача решена и декларированный технический результат достигнут тем, что предлагаемый катамаран, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, два корпуса, соединительный мост, соединяющий корпусы, и два крыла, установленных под соединительным мостом между корпусами и прикрепленных к корпусам, отличается от ближайшего аналога тем, что его соединительный мост снабжен клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, каждое крыло выполнено с удлинением не более 0,5 и габаритным размером в поперечном направлении, равным от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, установлено с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° на внутреннем борте одного из корпусов носовее пятого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, причем наименьшее расстояние от кормовых кромок крыльев до поверхностей соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратного габаритного размера крыла в поперечном направлении, носовые кромки крыльев расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, а проекции кормовых кромок крыльев на горизонтальную плоскость составляют с линией притыкания крыльев к поверхностям бортов корпусов угол от 75° до 90°.
Снабжение соединительного моста предлагаемого катамарана клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, выполнение каждого крыла с удлинением не более 0,5 и габаритным размером в поперечном направлении, равным от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, установка каждого крыла с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° на внутреннем борте одного из корпусов носовее пятого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, когда наименьшее расстояние от кормовых кромок крыльев до поверхностей соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратного габаритного размера крыла в поперечном направлении, носовые кромки крыльев расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, а проекции кормовых кромок крыльев на горизонтальную плоскость составляют с линией притыкания крыльев к поверхностям бортов корпусов угол от 75° до 90°, обеспечивают уменьшение амплитуд килевой, вертикальной и бортовой качки, снижение ударных нагрузок на конструкции и повышение ходовых качеств в условиях волнения, а также повышение комфортабельности.
В отличие от упомянутых выше известных технических решений с крыльями, установленными ниже конструктивной ватерлинии и обеспечивающими за счет создания стабилизирующих сил уменьшение амплитуды килевой качки, предлагаемая конструкция катамарана, снабженная крыльями, расположенными, согласно изобретению, выше конструктивной ватерлинии и характеризуемыми упомянутыми выше параметрами, приводит к уменьшению амплитуд не только килевой, но и вертикальной и бортовой качки, к снижению ударных нагрузок на конструкции и к повышению ходовых качеств в условиях волнения, а также комфортабельности.
Крылья выполняют функцию непосредственной защиты носовой оконечности соединительного моста от ударов о встречные волны, обеспечивающей снижение ударных нагрузок на соединительный мост, что обеспечивается путем создания барьеров для ударного воздействия на носовую часть соединительного моста потока взволнованной жидкости. В результате этого происходит скос и завихрение потока, натекающего на соединительный мост при ударе, и образование каверн, увеличивающих рассеяние энергии при качке, снижающих ее амплитуды и также уменьшающих ударные нагрузки на соединительный мост.
Для этого на носовых оконечностях каждого из корпусов носовее пятого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, со стороны внутренних бортов установлено по одному крылу с удлинением не более 0,5 и габаритным размером в поперечном направлении (длиной крыла), лежащем в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана. Крылья установлены так, что наименьшее расстояние от кормовых кромок крыльев до поверхностей соединительного моста или его клинообразной наделки не превышает полуторакратного габаритного размера крыла в поперечном направлении, а их углы атаки при движении катамарана на тихой воде находятся в диапазоне от 5° до 15°. Носовые кромки крыльев расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, а проекции кормовых кромок на горизонтальную плоскость составляют с линией притыкания крыльев к поверхностям бортов корпусов угол от 75° до 90°.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана носовая часть предлагаемого катамарана с частичным разрезом по диаметральной плоскости, где 1 - корпус, 2 - соединительный мост, 3 -клинообразная наделка и 4 - крыло.
На фиг. 2 приведен вид снизу катамарана, показанного на фиг. 1.
На фиг. 3 показана схема поперечного сечения предлагаемого катамарана.
На фиг. 4-7 показаны схемы обтекания водой поперечного сечения предлагаемого катамарана на различных стадиях его погружения в взволнованную жидкость.
Предлагаемый катамаран содержит два корпуса 1 и соединительный мост 2, соединяющий корпусы 1 и снабженный симметричной относительно диаметральной плоскости клинообразной наделкой 3. Катамаран также содержит два крыла 4 с удлинением не более 0,5 и габаритным размером в поперечном направлении, равным от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана. На внутренних бортах каждого корпуса 1 носовее пятого теоретического шпангоута выше уровня конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, установлено по одному упомянутому крылу 4. Крылья 4 установлены с углами атаки при движении катамарана на тихой воде, находящимися в диапазоне от 5° до 15°, так, что наименьшее расстояние от кормовых кромок крыльев 4 до поверхностей соединительного моста 2 или клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратного габаритного размера крыла 4 в поперечном направлении, носовые кромки крыльев 4 расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов 1, а проекции кормовых кромок крыльев 4 на горизонтальную плоскость составляют с линией притыкания крыльев 4 к поверхностям бортов корпусов 1 угол /3 (см. фиг. 2), находящийся в диапазоне от 75° до 90°.
Снабжение катамарана крыльями 4 с удлинением не более 0,5, установленными на внутренних бортах каждого корпуса 1, обеспечивает эффективное демпфирование продольной и бортовой качки. При этом расположение носовых кромок крыльев 4 под острым углом к поверхностям бортов корпусов 1, а также формирование кормовых кромок крыльев 4 такими, что их проекции на горизонтальную плоскость составляют с линией притыкания крыльев 4 к поверхностям бортов корпусов 1 угол от 75° до 90°, способствует увеличению демпфирующих сил.
Углы атаки каждого из крыльев при движении катамарана на тихой воде следует выбирать в диапазоне от 5° до 15°, поскольку при углах менее 5° крыло становится неэффективным из-за резкого снижения его стабилизирующих свойств при килевой качке, а при углах более 15° резко возрастает лобовое сопротивление крыла и значительно снижается ходкость катамарана на волнении.
При наличии хода катамарана в результате взаимодействия с крыльями 4 поток взволнованной жидкости существенно скашивается (см. фиг. 4), отклоняясь вниз, что приводит к уменьшению вертикальных скоростей частиц жидкости в потоке после обтекания крыльев 4, в особенности вблизи бортов корпусов 1. Следствием такого уменьшения скоростей является снижение ударного воздействия взволнованного потока жидкости на носовую оконечность соединительного моста 2 в наиболее нагруженных зонах у бортов корпусов 1, уменьшение перегрузок катамарана и повышение комфортабельности перевозки на нем пассажиров. Упомянутый скос потока усиливается при относительно близком расположении крыльев 4 к поверхностям соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3, при котором наименьшее расстояние от кормовых кромок крыльев 4 до поверхностей соединительного моста 2 или его клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратной величины габаритного размера крыла 4 в поперечном направлении.
Кроме того, при погружении в воду крылья 4 способны играть роль барьера, выше которого образуется каверна, защищающая носовые районы соединительного моста 2, подверженные действию наибольших гидродинамических давлений в зонах, примыкающих к бортам корпусов 1, от интенсивных ударных воздействий жидкости.
Крылья 4 целесообразно располагать достаточно высоко от уровня ватерлинии. При низком расположении крыльев 4, ниже четверти вертикального клиренса или ниже конструктивной ватерлинии, их защитные свойства резко ослабевают, поскольку непосредственно перед ударом соединительного моста 2 о встречную волну образуемые за крыльями 4 каверны становятся замкнутыми и их поверхности смыкаются с поверхностями бортов, а конфигурации (формы) каверн становятся неустойчивыми. Кроме того, большое заглубление крыльев 4 в волну, наблюдаемое при низком их расположении, влечет существенное уменьшение скоса потока жидкости, натекающей на соединительный мост 2 при его ударном взаимодействии с волной.
Наибольшие относительные по отношению к взволнованной поверхности жидкости перемещения соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3 при качке катамарана наблюдаются в носовой оконечности судна носовее пятого теоретического шпангоута. Поэтому защитные крылья 4 малого удлинения, меньшего 0,5, целесообразно располагать именно в этом районе судна, где действуют наиболее интенсивные ударные нагрузки на соединительный мост 2.
Преимущество предлагаемого технического решения обусловлено активным гидродинамическим взаимодействием между клинообразной наделкой 3 соединительного моста 2 и крыльями 4 при ударном погружении их в волну. Оно наблюдается при относительно близком расположении крыла 4 и клинообразной наделки 3, при котором наименьшее расстояние от кормовых кромок крыльев 4 до поверхности клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратной величины габаритного размера крыла 4 в поперечном направлении.
Для описания этого взаимодействия рассмотрим стадии процесса погружения клинообразной наделки 3 и крыла 4 в волну (см. фиг. 4-7). На первой стадии (см. фиг. 4) наблюдается начало погружения клинообразной наделки 3 и крыла 4 в жидкость, сопровождающееся формированием мощных брызговых струй и волн вытеснения жидкости, уменьшающих энергию совершающего качку катамарана и демпфирующих ее.
На второй стадии (см. фиг. 5) за крылом 4 формируется каверна. При значительных габаритах крыла 4, т.е. при наибольшем размере в поперечном направлении, лежащем в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, на третьей стадии (см. фиг. 6) развитие каверны сопровождается появлением потоков жидкости, возникающих при погружении клинообразной наделки 3 и росте габаритов каверны. При этом росте скорости частиц жидкости на поверхности каверны направлены по касательной к каверне. Благодаря такой направленности потока вершина сформированной погружением крыла 4 волны вытеснения сближается с клинообразной наделкой 3. При этом начинается гидродинамическое взаимодействие потоков жидкости, сформированных погружениями в воду крыла 4 и клинообразной наделки 3, в результате которого усиливается поток жидкости вблизи клинообразной наделки 3, направленный вдоль ее клинообразной поверхности.
Такая эволюция потока приводит на заключительной стадии погружения клинообразной наделки 3 и крыла 4 в волну (см. фиг. 7) к образованию вытянутой вдоль катамарана воздушной каверны и крупномасштабного вихря с центром, находящимся в этой каверне. На образование вихря расходуется значительный импульс жидкости, что снижает ту часть импульса жидкости, которая обуславливает ударное воздействие на соединительный мост 2. В итоге снижается действующая на соединительный мост 2 ударная гидродинамическая сила, что позволяет снизить материалоемкость катамарана и обеспечивает повышение его комфортабельности. Смягчению ударного воздействия и максимального значения этой силы способствует также образование вытянутой каверны, внутри которой происходит продольное перетекание воздуха и его сжатие. Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает:
- снижение интенсивности килевой, вертикальной и бортовой качки;
- уменьшение ударных нагрузок на конструкции катамарана;
- повышение жесткости и прочности носовой оконечности катамарана;
- снижение материалоемкости конструкций;
- повышение комфортабельности катамарана за счет снижения интенсивности продольной качки, общей вибрации судна и нагрузок, действующих на конструкции в условиях волнения и качки судна;
- улучшение ходовых качеств катамарана на тихой воде и на волнении;
- увеличение экономической эффективности катамарана.