Исследование хода на волнении высокоскоростного катамарана на подводных крыльях

ИССЛЕДОВАНИЕ ХОДА НА ВОЛНЕНИИ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО КАТАМАРАНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ

Панов А. Ю., д. т. н., профессор Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева Хазова В. И., старший преподаватель Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

В статье изучается ход на волнении высокоскоростного катамарана на подводных крыльях на основе дифференциальных уравнений движения в вертикальной плоскости. Определяются пределы допустимой эксплуатации судна такого типа по скорости, характеристикам волнения и значениям перегрузок.

Ключевые слова: катамараны на подводных крыльях; высокоскоростные катамараны; ход на волнении.

RESEARCH ON ROUGH-WATER RUN OF HIGH-SPEED HYDROFOIL CATAMARAN

Panov A., Doctor of Science, Professor at Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev Khazova V., master teacher at Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev

This article deals with rough-water run of high-speed hydrofoil catamaran.The present research is based on differential equations of motion of the vessel in the vertical plane. The limits of acceptable operation of vessel in speed, wave characteristics and values of the overload are determined.

Keywords: hydrofoil catamarans; high-speed catamarans; rough-water run.

Для высокоскоростных катамаранов особый интерес представляет изучение их мореходных качеств. Ход на волнении изучался на основе системы дифференциальных уравнений, приведенных в работе [1].

При этом было учтено, что гидродинамические силы и моменты, действующие на крыльевое устройство катамарана, зависят от угла

атаки крыла а

кр

Этот угол может быть определен по формуле [2]

VZg , ylн(к)л

аКр =аус +а0 - Да0 -^± ±Аав,

У xg У X

где установочный угол атаки подводного крыла а (в радианах), угол нулевой подъемной силы малопогруженного крыла а о , изменение угла нулевой подъемной силы телесного профиля Да 0 определяются по рекомендациям [3].

&у1н(к )л

Слагаемые т т и в выражении (1) определяют изменение угла атаки крыла вследствие поступательного движения

УХ£ Ух

центра масс судна и вращения судна относительно его центра масс с угловой скоростью ^у соответственно.

Поправка Да в учитывает изменение угла атаки крыла вследствие орбитального движения частиц жидкости в волне. Согласно рекомендациям [3], ее можно определить по формуле

Да = -—

2Uge

Х в

где a в - амплитуда волны,

Х в — длина волны, h - высота волны,

0 = П+Х + 2п1к (н )л х = 2п(х + Ve у

А — фазовый угол, равный Х л ’А л ,

2 Х в Х в

1к (н )л — относительные расстояния от центра масс судна до центров давления носового и кормового подводных крыльев соответственно;

Vв — скорость набегающей волны, принимаемая равной V& = 1,25 ,

Х

в

V, — -

продольная скорость движения в связанной с центром масс судна системе координат Охуг.

Расчет хода на волнении основывался на результатах модельного эксперимента, который проводился в опытовом бассейне НГТУ им. Р.Е. Алексеева [4]. Волнение в бассейне создавалось с помощью клинообразного волнопродуктора, совершающего периодические колебания. Частота колебаний зависит от напряжения питания обмоток электродвигателя, изменяя которое можно менять параметры создаваемых волн.

Ход модели катамарана на волнении экспериментально изучался на четырех волнах высотой й=0,57; 0,77; 1,33 и 1,61 м на скоростях движения, соответствующих 5, 8 и 11 м/с в пересчете на натурное судно. При этом для каждой волны определялось сопротивление движению катамарана на волнении.

Результаты расчета угла дифферента и всплытия центра масс катамарана представлены на рис. 1-3.

Во всем диапазоне скоростей движение катамарана носит гармонический характер. Минимальный диапазон колебаний по углу дифферента на волнах высотой Ь=0,57 и 0,77 м (соответствует волнению в 3 балла по шкале Бофорта) не превышает 0,02 рад (1,15°). Максимальные значения диапазона колебаний по углу дифферента (0,032 рад или Ни1,8°) наблюдаются на волне высотой Ь=1,61 м.

Кроме того, при начальной скорости хода 11 м/с на волнах с высотой Ь=1,33; 1,61 м (4-5 баллов) расчет демонстрирует заливание носовой оконечности катамарана, он получает сильный дифферент на нос и переходит в водоизмещающее положение. Таким образом, можно сделать вывод, что движение катамарана на этой скорости на соответствующем морском волнении не рекомендуется.

В связи с тем, что основное применение высокоскоростные катамараны находят в качестве пассажирских паромов, важно обеспечивать пассажирам на борту необходимые комфортные условия. Эти условия определяются значениями ускорений, возникающих при качке катамарана.

fit / i\ V

if \r kJf YA \ 1 \\ I \fi \ \lt s/i f \\ Ml

V ? V vf У 1

t, С

О 100 200 300

Рис. 2. Зависимость угла дифферента 1|/ (<а) и всплытия центра масс катамарана (б) от времени при ходе на волнении с начальной скоростью У=8 м/с ---------------------[1=0,57 м ...И=0,77м------И=1,33 м - 11=1,61 м

0,04

0,03

0,02

а

0,01

0

-0,01

Рис.З. Зависимость угла дифферента \|/ (а) и всплытия центра масс катамарана zg (бI от времени при ходе на волнении с начальной скоростью V—11 м/с -------------------h=0,57 м ...h-0,77 м---h=l,33 м —   h=l,61 м

Значения вертикальной а и горизонтальной а проекций ускорения центра масс, вызванного продольной качкой катамарана, рассчитывались по формулам

d2xs d

ax =---------t- =---------------------------------, az =---------^- =-------------------------------.

g dt2 dt Zg dt2 dt

Было выявлено, что вертикальные перегрузки во всем диапазоне скоростей на всех волнах не превышают 0,004g. Горизонтальные перегрузки близки к вертикальным на волнах малой h=0,57 м и средней h=0,77 м высоты во всем диапазоне скоростей, а наибольших значений (H?s0,003g) достигают на волне h=1,33 м при скорости 11 м/с. Согласно [5] эти величины соответствуют комфортным (до 0,2g) значениям ускорений. В то же время при движении на скорости 11 м/с отмечается кратковременное возрастание как вертикальной, так и горизонтальной перегрузок до значений H”0,4g.

1 \ 1 \\ \ /А -г \iij\j ij\ \Hiyi /V'/\/'Jf \ л/\ /'/ J IwJ \ ri vtA'fr. Sr Л Г кг л г- yP •• Sr . /лд vX/v ,yu JJi-U/ M-'/ 'A,T >0 ' v; • ч f S-. ч ;;'

(i V VAooV Vd^o Vy Vb

Литература:

1. Хазова, В. И. Исследование разгона высокоскоростного катамарана на подводных крыльях при различных режимах работы главных двигателей/ В.И. Хазова // Транспортное дело России. - 2013. - №1. - С. 48-51.

2. Панов, А.Ю., Печникова, Т.Ф. Численный эксперимент на ЭВМ при исследовании продольного движения быстроходного судна / А.Ю. Панов, Т.Ф. Печникова // Гидродинамика и оптимальное проектирование транспортных средств. - Горький, 1985. - С. 54-62.

3. Егоров, И.Т., Соколов, В.Т. Гидродинамика быстроходных судов / И.Т. Егоров, В.Т. Соколов. - Л.:Судостроение, 1971. - 424 с.

4. Хазова, Вик. И. Экспериментальное определение гидродинамических характеристик скоростного катамарана / И.Д. Краснокутс-кий, Вер. И. Хазова, Вик. И. Хазова // Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве: сб. докладов Всеросс. научно-техн. конф. - Н.Новгород, 17-20 ноября 2009. - Н.Новгород:НГТУ, 2009. - С.137-141.

5. Соломенцев, И. О. Расчет и нормирование ударных ускорений для двухкорпусного судна / И.О. Соломенцев // Судостроение. -1992. - № 6. - С. 1-8