Кормовое крестообразное оперение подводного объекта
SUBMARINE FODDER CROSS-LIKE EMPENNAGE

Изобретение относится к области судостроения, а именно к конструктивному оформлению кормового оперения подводного объекта, назначением которого является обеспечение устойчивости и управляемости подводного объекта.
Известно, что характеристики работающих движителей подводных объектов определяются степенью неоднородности поля скоростей набегающего потока в кормовой оконечности. Набегающий поток в месте расположения движителя пространственно неоднороден и из-за наличия в нем турбулентных пульсаций не стационарен (Книга Ю.Л. Левковский. Шум гребных винтов, УДК: 629.5.015.6, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, с. 67, С.-Пб. 2005 г.). При обводах кормовой оконечности, близких к осесимметричным, учитывая достаточно быстрое затухание потенциальных возмущений при удалении их от источника, структура поля скоростей течения жидкости в диске рабочего колеса будет зависеть в основном от степени воздействия вязкостных эффектов. Последние связаны либо с особенностями развития пограничного слоя корпуса и вязкостными гидродинамическими следами от потерь энергии потока в пограничных слоях выступающих частей корпуса подводного объекта, либо с формированием свободных вихревых систем в результате обтекания конструктивных элементов архитектуры подводного объекта. Специальные устройства корректируют вихревые возмущения посредством создания дополнительной искусственной системы вихрей, с помощью которой обеспечивается взаимодействие созданной новой системы вихрей с системой вихрей, возбуждаемых изначальными обводами корпуса и выступающими частями. Это приводит к сглаживанию степени окружной неоднородности итогового поля скоростей в районе кормовой оконечности (в диске рабочего колеса), определяющим условия работы движителя.
Известны устройства, уменьшающие неоднородность потока в диске рабочего колеса - вихрегенераторы, представляющие собой небольшие крылья малого удлинения, устанавливаемые на поверхности корпуса подводного объекта под некоторым углом атаки (Книга П. Чжен. Отрывные течения, УДК: 532.51:532.526:533.601.1, Москва, Мир, 1974, Т. 3, с. 207-210).
Недостатком подобных устройств является уменьшение эксплуатационной надежности вихрегенераторов из-за повышенной вероятности их повреждения вследствие консольного крепления к корпусу, необходимость гашения их собственного шумоизлучения, которое определяется особенностями их геометрии и конструкции, а также увеличение буксировочного сопротивления подводного объекта в связи с установкой вихрегенераторов.
Известно «Устройство уменьшения шума взаимодействия струи/пилона в турбореактивных двигателях» (патент FR №2566835, дата охранного документа 27.10.2015). Пилон самолета для удержания двух- или трехконтурного турбореактивного двигателя содержит верхнюю поверхность соединения с самолетом, две боковые стороны и подошву в своей нижней части. При этом упомянутый пилон содержит, по меньшей мере, одну часть, проходящую ниже по потоку от сопла в холодном потоке упомянутого турбореактивного двигателя и омываемого упомянутым холодным потоком, при этом на части, находящейся в холодном потоке за пределами упомянутого сопла он содержит, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное на одной из боковых сторон упомянутого пилона, через которое струя воздуха инжектируется в газовый поток или всасывается из газового потока, циркулирующего вдоль этих боковых сторон. Инжектирование струи или всасывание газового потока позволяет изменять течение вокруг пилона и, таким образом, ориентируя эту струю соответствующим образом, уменьшить образование турбулентных потоков между двигателем и пилоном и, таким образом, уменьшить шум стенки, который связан с наличием пилона и сдвигом скоростей между холодным потоком и воздухом снаружи двигателя. Оно улучшает течения на боковых сторонах и внутренней части пилона и уменьшает также общую турбулентную интенсивность.
Недостатки устройства связаны с уменьшением эксплуатационной надежности из-за конструктивного ослабления пилона отверстиями, расположенными на боковых сторонах пилона и увеличением сопротивления из-за наличия отверстий, расположенных на боковых сторонах пилона.
Известно также «Кормовое крестообразное оперение подводного аппарата» (пат. RU №2368532, опубл. 27.09.2009, кл. МПК: B63G 8/18), принимаемое за прототип, включающее горизонтальные и вертикальные выступающие части. На неподвижных носовых частях горизонтальных и верхнего вертикального стабилизаторов установлено полукольцо. Полукольцо имеет сечение крыловидной формы с переменными длинами хорд и установочными углами сечений по периметру полукольца. При этом установочные углы выбраны в соответствии с местными углами атаки набегающего потока. Радиус полукольца соответствует 1,2-1,3 радиуса корпуса подводного аппарата в районе установки полукольца. Полукольцо выполнено металлическим полым литосварным. Полость полукольца заполнена композитным материалом. Полукольцо может быть выполнено из двух частей, соединенных крепежом, между которыми помещена вибропоглощающая пленка.
Недостатки устройства связаны с уменьшением эксплуатационной надежности из-за повышенной вероятности повреждения вследствие циклических гидродинамических нагрузок, обусловленных взаимодействием вихревых систем, сходящих с корпуса подводного аппарата, с элементами полукольца, а также с увеличением буксировочного сопротивления подводного аппарата в связи с установкой полукольца.
Задача изобретения заключается в разработке нового крестообразного кормового оперения подводного объекта, в котором без уменьшения эксплуатационной надежности и увеличения буксировочного сопротивления подводного объекта снижена степень неоднородности поля скоростей в кормовой оконечности подводного объекта.
Технический результат изобретения заключается в снижении степени неоднородности поля скоростей в кормовой оконечности подводного объекта без уменьшения эксплуатационной надежности и увеличения буксировочного сопротивления подводного объекта.
Сущность изобретения заключается в том, что кормовое крестообразное оперение подводного объекта включает горизонтальные и вертикальные верхнюю и нижнюю выступающие части, выполненные на кормовой части корпуса перед движителем, при этом на каждой задней кромке выступающих частей, на радиусах, соответствующих характерному размеру движителя, расположено, как минимум, одно отверстие для подачи струи воды, служащее для компенсации искажений и неоднородностей потока, связанных с гидродинамическими вихревыми следами от обтекания выступающих частей, и снижения степени неоднородности поля скоростей в кормовой оконечности подводного объекта.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где
на фиг. 1 - показана схема, отражающая расположение горизонтальных и вертикальных выступающих частей с отверстиями на задней кромке для подачи струй воды на виде сбоку;
на фиг. 2 - показана схема, отражающая поле продольной компоненты скорости потока перед входом в движитель подводного объекта без подачи струй воды из отверстий на задней кромке выступающих частей;
на фиг. 3 - показана схема, отражающая поле продольной компоненты скорости потока перед входом в движитель подводного объекта с подачей струй воды из отверстий на задней кромке выступающих частей;
на фиг. 4 - показана схема, отражающая спектральный состав нестационарной гидродинамической силы на одной лопасти рабочего колеса движителя подводного объекта без подачи струй воды из отверстий на задней кромке выступающих частей;
на фиг. 5 - показана схема, отражающая спектральный состав нестационарной гидродинамической силы на одной лопасти рабочего колеса движителя подводного объекта с подачей струй воды из отверстий на задней кромке выступающих частей.
Кормовое крестообразное оперение подводного объекта включает горизонтальные выступающие части 1 и вертикальные: верхнюю и нижнюю выступающие части 2, которые выполнены на кормовой части корпуса 3 подводного объекта перед движителем 4 с рабочим колесом 5. На задней кромке выступающих частей 1,2, на радиусах, соответствующих характерному размеру движителя 4, расположены отверстия 6 для подачи струй воды 7.
Кормовое крестообразное оперение подводного аппарата работает следующим образом. Подача струй воды 7 из отверстий 6, расположенных на задней кромке выступающих частей 1,2, на радиусах, соответствующих характерному размеру движителя 4, компенсирует искажения и неоднородности потока, связанные с гидродинамическими вихревыми следами от обтекания выступающих частей 1,2, и обеспечивает более однородный поток на входе в движитель 4 подводного объекта. При этом рабочее колесо 5 движителя 4 работает в более однородном потоке. Такое снижение степени неоднородности поля скоростей в диске рабочего колеса 5 способствует уменьшению пульсаций упора на движителе 4. В качестве примера на фиг. 2 показана схема, отражающая поле продольной компоненты скорости потока перед входом в движитель 4 подводного объекта без подачи струй воды 7 из отверстий 6 на задней кромке выступающих частей 1,2, а на фиг. 3 показана схема, отражающая поле продольной компоненты скорости потока перед входом в движитель 4 подводного объекта с подачей струй воды 7 из отверстий 6 на задней кромке выступающих частей 1,2. Видно, что поле продольной компоненты скорости потока перед входом в движитель 4 более однородно при подаче струй воды 7 из отверстий 6. На фиг. 4 показана схема, отражающая спектральный состав нестационарной гидродинамической силы на одной лопасти рабочего колеса 5 движителя 4 подводного объекта без подачи струй воды 7 из отверстий 6 на задней кромке выступающих частей 1,2, а на фиг. 5 показана схема, отражающая спектральный состав нестационарной гидродинамической силы на одной лопасти рабочего колеса 5 движителя 4 подводного объекта с подачей струй воды 7 из 6 отверстий на задней кромке выступающих частей 1,2. Видно, что подача струй воды существенно уменьшает первую, вторую, третью и четвертую гармоники спектра нестационарной гидродинамической силы на лопасти рабочего колеса 5 движителя 4. Наличие данных гармоник в спектре обусловлено влиянием неоднородностей в поле скоростей потока от корпуса и оперения подводного объекта. Таким образом, снижается степень неоднородности поля скоростей в кормовой оконечности подводного объекта за счет снижения окружной неоднородности поля скоростей потока, натекающего на движитель 4 подводного объекта без уменьшения эксплуатационной надежности и увеличения буксировочного сопротивления подводного объекта.
Благодаря предложенному техническому решению без уменьшения эксплуатационной надежности и увеличения буксировочного сопротивления подводного объекта, будет снижена степень неоднородности поля скоростей в кормовой оконечности подводного объекта.