НОСОВАЯ ОКОНЕЧНОСТЬ СУДНА
SHIP FORE END

Изобретение относится к судостроению, в частности к проектированию обводов носовой оконечности корпуса судна.
Известен корпус ледокола (Патент SU 1207892, кл. В63В 35/08, 3/16), имеющий плавные лекальные обводы ледокольного типа, обеспечивающий высокую ледопроходимость. Однако обводы ледокольного типа не обеспечивают судну высоких характеристик в части ходовых и мореходных качеств на свободной ото льда чистой воде. Вследствие этого при проектировании судов, для которых эксплуатация в ледовых условиях является эпизодической, применяют другие обводы корпуса, оптимально обеспечивающие заданные ходовые и мореходные качества. Для этих судов способность двигаться в ледовых условиях ограничивается прочностью корпуса и мощностью силовой установки.
Известна также носовая оконечность судна (РФ, заявка 92015912/11 от 31.12.1992, В63В 1/06), имеющая форштевень с подрезом по радиусу и скругленные скулы, образующие лекальные обводы. Носовая оконечность такого типа обеспечивает судну хорошие ходовые и мореходные качества - прототип. Однако подобная форма корпуса не обеспечивает судну способности преодолевать ледовый покров даже небольшой толщины. При взаимодействии со сплошным ледовым полем нос судна внедряется носовой частью в ледовое поле до тех пор, пока сопротивление льда не сравняется с упором движителей судна, приводя к его остановке. Дальнейшее движение судна в заданном направлении оказывается невозможным.
Анализ распределения сил сопротивления льда по обшивке носовой части судна показывает, что в начальной фазе процесса, когда носовая часть судна только начинает деформировать ледовый покров, удельные нагрузки на лед велики и возникающие во льду напряжения превышают его предел прочности. Дальнейшее углубление носового заострения в ледовое поле сопровождается увеличением протяженности контакта носового заострения со льдом. В результате нагрузка на лед перераспределяется, удельные нагрузки уменьшаются по мере увеличения протяженности зоны контакта до тех пор, пока не станут меньше предела прочности льда. Это и приводит к остановке и даже заклиниванию судна в ледовом поле.
На Фиг.1 показана схема взаимодействия носовой части судна традиционных обводов 1 с ледовым покровом и эпюры давлений 2, реализующихся в зоне взаимодействия носового заострения со льдом. В районе форштевня, выступающего вперед у некоторых судов 3, создается наибольшее давление, превышающее прочность льда, однако это не вызывает разрушения льдины, а лишь создает небольшое местное выкрашивание льда, не приводящее к разрушению ледового покрова в целом 4.
Задачей предлагаемого изобретения является улучшение ледопроходимости судна за счет повышения эффективности разрушения сплошного ледового покрова.
Указанный результат достигается тем, что носовая оконечность судна, образованная поверхностью правого и левого бортов, соединяющихся у форштевня, представляющая собой носовое заострение корпуса судна и имеющая лекальные обводы, отличается тем, что ватерлинии носовой оконечности теоретического чертежа корпуса в пределах изменения положения расчетной действующей ватерлинии на всем диапазоне осадок судна на участке, примыкающем к форштевню, имеют излом с вершиной, направленной наружу и находящейся от диаметральной плоскости судна на расстоянии не менее 0,05 максимальной ширины судна по ватерлинии.
Придание ватерлиниям теоретического чертежа в носовой оконечности судна излома с вершиной наружу корпуса в районе, прилегающем к форштевню судна с обоих бортов, обеспечивает концентрацию воздействия судна на лед в ограниченной зоне контакта, тем самым способствуя разрушению центральной зоны ледового покрова, являющейся концентратором дальнейшего разрушения льдины.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.2 представлена форма ватерлинии теоретического чертежа носовой оконечности судна, которой придан слом вершиной наружу корпуса в районе, прилегающем к форштевню судна с обоих бортов, на Фиг.3 показано распределение зон сжатия льда при движении судна в ледовом поле; на Фиг.4 - эпюры напряжений в разных зонах сжатия льда носовой оконечностью судна.
Носовая оконечность судна образована поверхностью правого и левого бортов, соединяющихся у форштевня, и представляет собой носовое заострение, которое имеет лекальные обводы (не показаны) (Фиг.2).
Ватерлиния 5 (Фиг.2) теоретического чертежа носовой оконечности корпуса в пределах изменения положения расчетной действующей ватерлинии на всем диапазоне осадок судна, на участке, примыкающем к форштевню, имеет излом с вершиной 6, направленной наружу. При этом точка излома в вершине 6 находится от диаметральной плоскости на расстоянии не менее 0,05 максимальной ширины судна по ватерлинии. Протяженность сломов по высоте находится в пределах изменения положения расчетной действующей ватерлинии на всем диапазоне осадок судна.
1
В результате обшивка судна вблизи форштевня на правом и левом борту образует параллельные форштевню, или близкие к этому, сломы обшивки. На участках 7 от вершины излома до форштевня (Фиг.2) углы между ватерлиниями и диаметральной плоскостью α составляют не менее 30 градусов. При значениях углов между ватерлиниями и диаметральной плоскостью, не превышающих 30 градусов, эффект от предлагаемого устройства не реализуется.
Величины отстояния сломов от диаметральной плоскости, не превышающие значений 0,05 максимальной ширины судна по ватерлинии, хотя и обеспечивают судну способность концентрированного воздействие на лед, однако недостаточная ширина зоны разрушающего воздействия при этом не обеспечит надежного повышения ледопроходимости.
Помимо выполнения основной задачи форма носовой оконечности по предлагаемому изобретению дополнительно уменьшает носовой бурун, возникающий при обтекании корпуса на свободной ото льда воде. Такой бурун в зависимости от скорости хода может добавлять от 5 до 15% к общей величине волнового сопротивления. Эффект снижения носового буруна объясняется тем, что характер обтекания носовой поверхности со сломом оказывается ближе к оптимальному, достигаемому при эллиптической форме ватерлиний в носу 8, нежели при традиционной форме корпуса 1.
Работа устройства.
Эффект от предлагаемой носовой оконечности судна - улучшение ледопроходимости достигается следующим образом
1
2
При движении судна с формой носовой оконечности 5 по предлагаемому изобретению в сплошном ледовом покрове носовая оконечность перемещается в ледовом покрове на величину S 9 (Фиг.3). Вследствие этого граница взаимодействия корпуса со льдом перемещается вперед, а участки ледового поля испытывают сжатие, пропорциональное взаимному перемещению взаимодействующих поверхностей корпуса и льда по нормали S 10 и S 11. Как следует из геометрии заявляемой формы носовой оконечности, на участке «затупления» носа, вблизи форштевня, напряжения во льду составят:
1
1
1
σ=k·S=k·S·sinα,
где k - коэффициент пропорциональности, а для следующего за ним участка борта напряжения во льду составят:
2
2
2
σ=k·S=k·S·sinα.
Отсюда следует, что:
1
2
1
2
σ/σ=sinα/sinα.
Из этого следует, что распределение напряжений, создаваемых носовой оконечностью в ледовом покрове, существенным образом зависит от конфигурации границы взаимодействия со льдом (Фиг.4), то есть от формы ватерлиний в районе носового заострения. В диапазоне практически значимых вариантов конфигурации носовой оконечности судна соотношение напряжений во льду на разных участках 12, 13 может доходить до двух - трех раз (Фиг.4).
Указанная геометрия носовой оконечности создает концентрированное воздействие на ледовый покров в центральной зоне у форштевня судна, приводящее первоначально к разрушению локальной части льдины и созданию трещин, которые затем способствуют разрушению сплошного ледового покрова в полосе продвижения судна, тем самым повышая его ледопроходимость.
Предлагаемая носовая оконечность судна за счет повышения эффективности разрушения сплошного ледового покрова улучшает ледопроходимость, что ее выгодно отличает от прототипа.