УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ НАДВОДНОГО ОДНОКОРПУСНОГО ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕГО БЫСТРОХОДНОГО СУДНА
HIGH-SPEED SINGLE-HULL DISPLACEMENT SURFACE SHIP STABILISER

Изобретение относится к судостроению и касается устройств, стабилизирующих движение с целью уменьшения сопротивления движению корпуса судна, уменьшения крена при движении на циркуляции, а также уменьшения килевой, бортовой и вертикальной качки судна.
Проблема усовершенствования стабилизирующих устройств указанного назначения особенно актуальна для быстроходных судов с различными, характерными для них формами корпуса.
корп
В наибольшей степени заявляемое техническое решение проявляет эффект при использовании на корпусах быстроходных судов с малой полнотой обводов, с U-образными формами шпангоутов, с удлинением корпуса λ=L/В≥7 и с острыми клиновидными носовыми образованиями, в составе которых рассматривается и преимущественно предполагается к использованию.
Известно устройство в виде носового подводного крыла, установленного на носовом бульбе однокорпусного быстроходного судна с идентичными вышеописанным обводами корпуса, а именно клиновидными носовыми образованиями и с наибольшей шириной корпуса в корме, с целью уменьшения килевой и вертикальной качки (патент RU 2155693, МПК В63В 1/04, 1/06, 1/08, 39/06, опубликовано 10.09.2000).
Недостатком этой конструкции является то, что консоли носового крыла имеют небольшое удлинение (меньше единицы) и значительную толщину в корневом сечении, что снижает его эффективность. Носовое расположение крыла при клиновидном носе не позволяет применить крыло большого удлинения из-за отсутствия возможности установки дополнительных опор. Для крепления крыла и механизма привода необходимо наличие бульба, который дает надбавку к полному сопротивлению корпуса.
Кроме этого, расположенное в носовой части такого корпуса крыло подвержено возможным повреждениям при швартовных операциях и ограничивает судоводителя в возможности безопасного маневрирования.
Также известно принятое за прототип устройство для управления дифферентом, уменьшения килевой и вертикальной качки корпуса судна с клиновидным носом, узким корпусом и плоским днищем в кормовой части (патент RU 2437797, МПК В63В 1/06, 39/06, 1/18, опубликовано 27.12.2011, бюл. №22). Данное устройство представляет собой два горизонтальных стабилизатора с каждой стороны диаметральной плоскости, рассчитанных на создание подъемной силы аналогично подводным крыльям. Каждый горизонтальный стабилизатор закреплен на двух вертикальных стабилизаторах, в свою очередь прикрепленных к корпусу судна.
Признаками рассматриваемого стабилизирующего устройства (стабилизатора) в виде подводного крыла, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются:
- расположение его в кормовой части,
- наличие в составе устройства профилированного крыла для создания демпфирующего момента по дифференту.
- наличие в составе устройства вертикальных стабилизаторов, служащих для стабилизации движения судна на курсе и предотвращения рысканья и выполняющих роль опор для крыла.
Недостатком конструкции рассматриваемого устройства является то, что оно расположено на стойках ниже килевой линии корпуса подобно судну на подводных крыльях и тем самым увеличивает осадку кормой и оказывается подверженным возможному повреждению при эксплуатации как любая выступающая часть судна, например, при посадке на мель. Кроме того, расположенные побортно относительно диаметральной плоскости горизонтальные стабилизаторы имеют небольшое удлинение по сравнению с устройством согласно заявляемому техническому решению, а значит и меньшее гидродинамическое качество. Каждый из входящих в состав устройства горизонтальных стабилизаторов при этом закрепляется по концам на двух вертикальных стабилизаторах, что влечет за собой повышение сопротивления движению в отличие от заявляемого технического решения, согласно которому крыло гармонично вписано в конструкцию корпуса.
В качестве предмета изобретения рассматривается устройство стабилизации движения судна, выполненное в виде кормового подводного крыла, закрепленного на вертикальной диаметральной наделке и стойках, отличающееся от прототипа:
- непрерывностью плоскости крыла на протяжении от борта до борта,
- наличием V-образности крыла для уменьшения крена на циркуляции,
- расположением крыла выше основной плоскости.
Предлагаемое устройство стабилизации проявляет максимальный полезный эффект при движении судна на взволнованной поверхности.
Целью предлагаемого изобретения является устранение отмеченных недостатков, имеющихся у прототипа, и получение нового эффекта от применения устройства стабилизации движения (кормового подводного крыла) в части уменьшения крена судна на циркуляции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение мореходных качеств быстроходных судов и улучшение их эксплуатационных свойств в целом.
Техническим результатом, обеспечиваемом изобретением, является снижение сопротивления движению корпуса судна, уменьшение килевой, вертикальной и бортовой качки судна, а также уменьшение крена при движении на циркуляции за счет оснащения судна устройством стабилизации движения в виде подводного кормового крыла.
Указанная цель достигается тем, что кормовое крыло располагается в кормовой, наиболее широкой части корпуса, выше основной плоскости судна (килевой линии) и ограничено шириной корпуса, благодаря чему меньше подвержено возможности повреждения. Крыло закреплено на вертикальной диаметральной наделке корпуса (на киле) и на профилированных бортовых стойках, что уменьшает изгибающие моменты, возникающие на крыле, позволяя увеличить его удлинение.
Для уменьшения крена судна на циркуляции крыло выполнено с умеренной V-образностью консолей. Угол V-образности (или килеватости) может находиться в диапазоне 5°-20°.
Крыло имеет авиационный симметричный профиль, одинаковый по размаху крыла, площадь крыла составляет около 5% от площади конструктивной ватерлинии корпуса, размах крыла соответствует ширине корпуса, хорда крыла одинакова по всему размаху.
Суть предлагаемого технического решения поясняется эскизами расположения крыла (фиг. 1, 2) и графиками, полученными путем буксировочных испытаний моделей с кормовым крылом и без крыла в опытовом бассейне (фиг. 3, 4, 5, 6). Буксируемые модели имели корпуса, выполненные по гидродинамической схеме быстроходных судов, характеризующейся следующими особенностями:
- острыми прямолинейными ватерлиниями в носовой части с углом притыкания к ДП около 4°-5°,
- расположением наибольшей ширины корпуса в кормовой части,
- соотношением площадей кормовой Sк и носовой Sн частей конструктивной ватерлинии относительно ее середины оставляющим Sк/Sн=2-3,
- наличием в кормовой части корпуса S-образных батоксов, начинающих свой подъем от миделя и притыкающихся к транцу на высоте около конструктивной ватерлинии под углом 0-5° относительно плоскости конструктивной ватерлинии.
На фиг. 1 представлен боковой вид расположения подводного крыла на кормовой части корпуса. На боковом виде (фиг. 1) изображены: корпус 1, плоскость подводного крыла 2, бортовая стойка 3, конструктивная ватерлиния 4, килевая линия 5, линия вертикальной диаметральной наделки (киля) 6,  линия притыкания днища к килю 7.
На фиг. 2 представлен вид на кормовое крыло со стороны кормы, на котором указаны: угол V-образности (килеватости) консолей φ, размах крыла L, шпангоут корпуса в плоскости расположения крыла.
На фиг. 3 и 4 приведены графики зависимости коэффициента полного сопротивления от числа Фруда для корпуса судна без кормового крыла (условно названного исходным судном) и с ним в условиях спокойной воды и волнения 6 баллов соответственно. Указанные зависимости были определены в ходе испытаний буксируемой модели судна по гидродинамической схеме для быстроходных судов, описанной выше, в опытовом бассейне в условиях спокойной воды и регулярного волнения. Модель, закрепленная на буксировочной тележке опытового бассейна, двигалась по полкам скоростей в условиях тихой воды и моделируемого волнения. При этом записывались параметры движения модели с устройством стабилизации и без него, такие, как сопротивление движению, размахи и частоты килевой и вертикальной качки. Из рассмотрения графиков видно, что сопротивление на спокойной воде практически не меняется при наличии или отсутствии подводного крыла. В условиях сильного волнения сопротивление меньше на 10-18% в рассматриваемом диапазоне чисел Фруда при наличии подводного крыла за счет получения оптимального ходового дифферента.
φ
h
На фиг. 5 и 6 приведены размахи килевой 2А и вертикальной 2А качки в зависимости от числа Фруда при наличии и отсутствии подводного крыла для волнения 6 баллов. Из рассмотрения этих кривых видно, что при наличии крыла размахи килевой качки уменьшаются на 15-40%, вертикальной качки на 15-45% в рассматриваемом диапазоне чисел Фруда.
Работа устройства стабилизации движения заключается в следующем: быстроходное судно, выполненное по описанной выше гидродинамической схеме, при движении на тихой воде и взволнованной поверхности приобретает излишний дифферент на корму от воздействия на его корпус гидродинамических сил и моментов. По этой причине корпус судна испытывает дополнительное сопротивление движению. Предлагаемое устройство стабилизации движения в виде кормового подводного крыла устраняет возникновение излишнего ходового дифферента и приводит ходовой дифферент к оптимальному с точки зрения уменьшения сопротивления (фиг. 3, 4).
Физическая сущность работы кормового подводного крыла заключается в том, что при движении судна поток, набегающий на крыло, создает подъемную силу; необходимую и достаточную для создания дифферентующего момента на нос. Поскольку возникающие на крыле гидродинамические силы больше тех, что воздействуют на корпус судна, заставляя его дифферентоваться на корму, ходовой дифферент судна принимает оптимальное значение на расчетной скорости, за счет подбора угла атаки подводного крыла.
При движении на взволнованной поверхности набегающие волны создают возмущения в носовой части судна, создавая килевую качку. В случае с установленным на судно устройством стабилизации, возмущения в носовой части судна от набегающих волн вместе с увеличением ходового дифферента увеличивают и угол атаки кормового крыла, что влечет увеличение гидродинамических сил на нем, а значит моментов, действующих против моментов от набегающих волн, что положительно сказывается на величинах размахов килевой и вертикальной качки (фиг. 5, 6).
При движении на циркуляции судно движется со скольжением, при этом консоль крыла, находящаяся на внутреннем по отношению к повороту борту, находится в гидродинамической тени и практически не создает подъемной силы по причине наличия V-образности. Как известно, при движении на циркуляции судно приобретает крен на внешний борт по отношению к повороту. Поскольку при циркуляции поток, набегающий на консоль крыла на этом борту, приобретает некоторый угол к диаметральной плоскости судна, угол атаки крыла физически увеличивается за счет V-образности и консоль работает эффективнее. Возникающая подъемная сила создает восстанавливающий момент и естественным образом уменьшает крен судна на циркуляции.
Наличие вертикальных стоек кормового крыла в сочетании с диаметральной килевой наделкой существенно улучшают курсовую устойчивость судов с узкими корпусами, имеющими острые клиновидные обводы носовой части.