КОНСТРУКЦИЯ СКУЛОВОГО КИЛЯ СУДНА ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
BILGE KEEL OF SEMI-DISPLACEMENT SHIP (VERSIONS)

Изобретение относится к области судостроения и касается конструкции скуловых килей судов переходного режима движения.
Известны скуловые кили надводного судна (пластинчатые и полые, содержащие нижнюю подкрепляющую стенку киля), являющиеся простейшими пассивными успокоителями качки и представляющие наружные продольные листовые или профильные связи, устанавливаемые на скуловых закруглениях корпуса по одному с каждого борта (стандарт отрасли «Кили скуловые. Нормы и правила проектирования» ОСТ5Р.1194-95 - прототип, патент RU 2238214 С2, 2004 г., бюл. №29). Эти связи образуют стенку киля, к свободной кромке которой прикрепляются обделки в виде трубчатого, пруткового или полособульбового профилей (по ОСТ5Р.1194-95), либо в виде гнутой пластины с поперечным сечением в форме разнобокого угольника. Последняя жестко прикреплена к стенке киля (в соответствии с патентом RU 2238214 С2). Окончания скуловых килей выполняют с постепенным уменьшением высоты киля на длине, равной 3-4 высотам киля.
Недостатком подобной конструкции скулового киля, используемого на быстроходных судах, является появление большой вибрации скуловых килей и близлежащих конструкций корпуса, отмечавшееся в скоростных режимах эксплуатации судна при наличии волнения (см. Крыжевич Г.Б. Вибрация крыльев малого удлинения в условиях нестационарного отрывного обтекания и меры по ее снижению. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. 2010 г., вып.53 (337)). Причиной появления вибрации является интенсивное вихреобразование в носовой части килей и недостаточная жесткость их элементов, наблюдающаяся при использовании традиционных конструктивных решений. Такая вибрация приводят к ухудшению комфортабельности судов, к снижению усталостного ресурса конструкций и является причиной, сдерживающей использование скуловых килей для гашения качки. Кроме того, наличие в местах окончаний скуловых килей обделок, являющихся плохообтекаемыми элементами килей, приводит к появлению дополнительного сопротивления воды движению судна и к снижению его экономической эффективности. Известные конструктивные решения одинаковы как для тихоходных, так и для быстроходных судов, что снижает эффективность скуловых килей как успокоителей качки быстроходных судов.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение вибрации судовых конструкций, сопротивления воды движению судна и повышение эффективности скуловых килей как успокоителей его качки.
Для достижения указанного технического результата предлагаются следующие варианты новых решений.
В конструкции скулового киля судна по изобретению стенка киля в районе его носового окончания выполнена в виде пластины повышенной толщины (превышающей толщину стенки в средней по длине киля части стенки в 1,3-2,1 раза) со скругленной свободной кромкой, а обделка свободной кромки стенки простирается в носовом направлении в пределах постоянной высоты стенки киля, т.е. обделка устанавливается в кормовой и средней частях скулового киля.
Выполнение стенки в районе носового окончания киля в виде пластины с повышенной толщиной позволяет увеличить жесткость носовой части киля и тем самым снизить амплитуды вибрации, а также увеличить нижнюю границу диапазона скоростей хода, в котором имеет место повышенная вибрация киля и близлежащих конструкций корпуса. Скругление свободной кромки пластины стенки улучшает обтекание ее встречным потоком жидкости при ходе судна, уменьшает вихреобразование и пульсации гидродинамических давлений в носовой части килей, благодаря чему снижаются возбуждение вибрации килей и сопротивление воды движению судна.
По второму варианту исполнения стенка носового окончания киля содержит усиление в зоне носовой свободной кромки в виде детали с хорошо обтекаемым вдоль судна гидродинамическим профилем, которая жестко соединена со стенкой киля, обделкой его свободной кромки и обшивкой корпуса судна.
Выполнение усиления стенки в районе носового окончания киля позволяет увеличить жесткость носовой части киля и тем самым снизить амплитуды вибрации, а также увеличить нижнее значение скорости хода, при которой имеет место повышенная вибрация киля и близлежащих конструкций корпуса. Формирование усиления в виде детали с хорошо обтекаемым вдоль судна гидродинамическим профилем уменьшает вихреобразование и пульсации гидродинамических давлений в носовой части килей, в результате чего снижаются вибрация килей и сопротивление воды движению судна.
По третьему варианту исполнения в носовой части киля обделка свободной кромки стенки расположена преимущественно в пределах ее постоянной высоты, при этом на носовых частях трубчатых, прутковых или полособульбовых профилей обделки свободной кромки стенки или непосредственно на пластине стенки киля на длине, равной 0,7-2,0 высоты стенки, установлены перпендикулярно к стенке продольные полосы с шириной, равной 0,1-0,5 высоты стенки.
Установка на носовых частях киля перпендикулярно к стенке продольных полос обеспечивает формирование у скулового киля, представляющего собой крыло малого удлинения, концевой шайбы, увеличивающей гидродинамические силы, вызывающие демпфирование качки судов переходного режима движения. Благодаря этому повышается эффективность скуловых килей как успокоителей качки быстроходного судна. Кроме того, установка полос позволяет увеличить жесткость носовой части киля и тем самым снизить амплитуды вибрации, а также улучшить обтекание носовой части киля встречным потоком жидкости при ходе судна, уменьшить вихреобразование и пульсации гидродинамических давлений в носовой части килей, благодаря чему снижаются возбуждение вибрации килей и сопротивления воды движению судна.
Сущность изобретений поясняется рисунками, где на фиг.1 показана носовая часть скулового киля по первому и третьему вариантам исполнения (вид в плане) с примыкающими элементами корпуса, на фиг.2 - соответствующее первому варианту исполнения сечение по А-А, расположение которого указано на фиг.1. На фиг.3 изображена носовая часть скулового киля по второму варианту исполнения (вид в плане) с примыкающими элементами корпуса, на фиг.4 - сечение по В-В на фиг.3, на фиг.5 - вид Б на фиг.1 (по третьему варианту исполнения).
Стенка 1 киля содержит обделку 2 свободной кромки и пластину 3 стенки с увеличенной толщиной (фиг.1). Стенка соединена с обшивкой корпуса судна 4. Свободная кромка утолщенной пластины 3 выполнена скругленной (фиг.2).
По второму варианту исполнения стенка 1 носового окончания киля имеет усиление в зоне носовой свободной кромки в виде детали 5 с хорошо обтекаемым вдоль судна гидродинамическим профилем, которая жестко соединена со стенкой 1 киля, обделкой 2 его свободной кромки и обшивкой 4 корпуса судна.
По третьему варианту исполнения (фиг.1) в носовой части киля обделка 2 свободной кромки стенки расположена преимущественно в пределах ее постоянной высоты, при этом на носовых частях трубчатых, прутковых или полособульбовых профилей обделки 2 свободной кромки стенки на длине, равной 0,7-2,0 высоты стенки, установлены перпендикулярно к стенке 1 и жестко соединены с ней продольные полосы 6 с шириной, равной 0,1-0,5 высоты стенки. Очертания полосы 6 видны на фиг.5, изображающей вид Б на фиг.1, установлена перпендикулярно к плоскости стенки 1 и жестко соединена с ней.
Достижение технического результата с помощью предлагаемых вариантов исполнения скулового киля осуществляется следующим образом.
Во время хода судна на волнении натекающий на носовую часть киля невозмущенный поток жидкости имеет две основные компоненты скорости - продольную (направленную вдоль судна) и поперечную (направленную перпендикулярно к плоскости стенки киля). Последняя обусловлена морским волнением, а также качкой судна (при наличии значительной интенсивности волнения). Исследования показывают, что интенсивная вибрация скуловых килей и близкорасположенных конструкций корпуса наблюдается при достижении поперечной компонентой скорости заметной величины, обеспечивающей значительный скос потока жидкости, натекающей на скуловой киль. В условиях морского волнения небольшой интенсивности имеют место периодические изменения углов скоса потока жидкости в носовой части киля от докритических значений до закритических и наоборот. При достижении критических значений угла скоса (составляющих для скуловых килей значение порядка 11-15°) изменяется режим обтекания носовой части скулового киля, т.е. образуется обширная зона застойного течения с вихрями, размеры которой сопоставимы с шириной скулового киля. Наиболее неблагоприятным для вибрации киля является случай, когда поперечная составляющая скорости потока жидкости направлена вверх, и подобная зона сформирована над верхней плоскостью стенки киля (в носовой его части). В этой зоне происходит образование как крупных вихрей, предопределяющих циркуляцию жидкости в большей части зоны, так и относительно мелких вихрей с начальной ориентацией вдоль кромок скулового киля. Последние периодически отрываются от него с частотой, равной собственной частоте киля. Эти вихри движутся вдоль поверхности границы застойной зоны до тех пор, пока не достигают угловых частей зоны (в районах ее пересечения с поверхностью киля и корпуса). Здесь происходит разрушение мелких вихрей, сопровождающееся периодическими резкими повышениями давления жидкости (в местах разрушения вихрей, т.е. на поверхности борта и верхней пластине киля). Эти пульсации давления периодически (на протяжении части периода встречи судна с волнами) возбуждают вибрацию киля и вызывают вибрацию близкорасположенных к нему корпусных конструкций. Размеры и интенсивность мелких вихрей зависят от конструктивного оформления носовых кромок стенки киля.
При конструктивном оформлении, рекомендуемом стандартом отрасли ОСТ5Р.1194-95, обделка свободной кромки стенки киля распространяется по всей длине киля, включая и его носовую часть. Поскольку поперечное сечение стержней, используемых в качестве такой обделки, представляет собой плохообтекаемый профиль, такое оформление ведет к образованию интенсивных вихрей и к возбуждению интенсивной вибрации.
В первом варианте исполнения стенка 1 киля в носовой части киля выполнена в виде пластины 3 со скругленной свободной кромкой. При такой кромке ее обтекание встречным потоком жидкости при ходе судна в условиях волнения сопровождается уменьшением вихреобразования на кромке и относительно слабыми пульсациями гидродинамических давлений на поверхностях килей и борта судна, благодаря чему снижаются возбуждение вибрации килей и сопротивление воды движению судна. При таком исполнении отсутствует обделка свободных кромок в носовой части стенки киля, увеличивающая жесткость этой части, в связи с чем предусматривается повышение жесткости за счет увеличения толщины пластины 3 в носовой части стенки 1.
По второму варианту исполнения стенка 1 носового окончания киля содержит усиление в зоне носовой свободной кромки в виде детали 5 с хорошо обтекаемым вдоль судна гидродинамическим профилем. При такой профилировке усиления носовой части стенки киля ее обтекание встречным потоком жидкости при ходе судна в условиях волнения также сопровождается уменьшением вихреобразования на кромке и относительно слабыми пульсациями гидродинамических давлений на поверхностях килей и борта судна, благодаря чему снижаются возбуждение вибрации килей и сопротивление воды движению судна. Соединение этой детали со стенкой киля 1, обделкой 2 его свободной кромки и обшивкой 4 корпуса судна обеспечивает необходимую жесткость носовой части стенки киля, поэтому использование такой трудоемкой в изготовлении детали 5 приводит к снижению материалоемкости киля по сравнению с первым вариантом исполнения.
Предлагаемая по третьему варианту исполнения установка на носовых частях киля перпендикулярно к стенке 1 продольных полос 6 обеспечивает формирование в носовой части скулового киля, представляющего собой крыло малого удлинения, концевой шайбы, увеличивающей гидродинамические силы, вызывающие демпфирование качки судов переходного режима движения. Вследствие этого повышается эффективность скуловых килей как успокоителей качки быстроходного судна. Кроме того, установка полос 6 позволяет увеличить жесткость носовой части киля и тем самым снизить амплитуды вибрации. Благодаря этим полосам при ходе судна в условиях волнения в носовой части киля снижается перетекание жидкости в поперечном направлении по плоскости стенки киля и стекание вихревых структур с носовых кромок киля. В результате этого уменьшаются сопротивление воды движению судна, пульсации давления жидкости на поверхностях килей и борта судна, благодаря чему снижается возбуждение вибрации килей.
Таким образом, предлагаемые варианты конструкции скулового киля судна переходного режима движения позволяют соответственно снизить вибрацию судовых конструкций, сопротивление воды движению судна и повысить эффективность скуловых килей как успокоителей качки судна, что их выгодно отличают от прототипа.