НОСОВАЯ ОКОНЕЧНОСТЬ ПОДВОДНОГО КОРПУСА ПОЛУПОГРУЖНОГО СУДНА
FORE OF SUM-SUBMERGED VESSEL UNDERWATER HULL

Изобретение относится к области судостроения и предназначено для снижения сопротивления воды при движении полупогружного судна.
В настоящее время рентабельность перевозок морскими надводными судами в арктических районах сравнительно низкая по различным причинам, в том числе из-за малой скорости плавания судов во льдах, больших потерь ходового времени в тяжелой ледовой обстановке, невозможности плавания кратчайшими маршрутами, необходимости наличия сложной и дорогостоящей системы навигационно-гидрографического обеспечения безопасности плавания во льдах. С учетом того, что такие суда эксплуатируются как в ледовых условиях, так и в свободных ото льдов морях, фактор сопротивления воды движению в обоих случаях является весьма значимым.
В статье руководителя арктического транспортного агентства М.Хаггланда (журнал «Саnаdiаn shipping and Marine Engineering″ №1, август 1974 г.) указывается, что по результатам проведенных исследований доказана экономическая целесообразность использования в Арктике полупогружных судов.
Известные приводимые в различных источниках технические решения транспортных полупогружных судов с уменьшенной суммарной площадью конструкций, взаимодействующих со льдом, в значительной степени снижают влияние указанных выше факторов на рентабельность грузоперевозок в Арктике. Такие суда обладают рядом преимуществ по сравнению с надводными судами равной грузоподъемности, одним из которых является сниженное сопротивление воды движению судна за счет исключения такой его составляющей, как волновое сопротивление движению грузового корпуса, полностью погруженного в воду. Помимо этого немаловажной составляющей общего сопротивления воды является сопротивление формы (вихревое), на снижение которого и направлено настоящее изобретение.
В настоящее время известны различные формы носовой оконечности корпуса полупогружных судов, которые могут рассматриваться как аналоги заявленному изобретению. Например, в статье журнала «Терминал» №6 (48) за 2004 г. на рисунке приведены практически прямоугольные в плане очертания носовой оконечности подводного танкера, ширина корпуса которого равна 40,0 м, а высота 20,0 м.
В журнале «Судостроение» №3 за 2004 г. в статье С.Н.Климашевского «К вопросу о расчетном определении водоизмещения подводных транспортных судов на ранних стадиях проектирования» также приведены прямоугольные в плане очертания носовой оконечности подводного контейнеровоза.
В технических решениях, имеющихся в патентах РФ №№2378150 и 2389640 у полупогружного судна грузовой подводный корпус при отношении ширины корпуса к высоте борта порядка 4,0÷4,3 имеет форму носовой оконечности в плане, определяемую контуром ватерлиний, которые по всей высоте носа корпуса имеют очертания скругленных с небольшим радиусом прямых углов на правом и левом бортах. На боковом виде носа корпуса, т.е. в продольных сечениях, носовой контур батоксов является полуокружностью и в направлении кормы сопрягается с верхним и нижним контурами палубы и днища, соответственно, при этом место сопряжения (стык) определяет длину носовой оконечности, равную половине высоты подводного корпуса.
Такие очертания ватерлиний носовой оконечности подводного корпуса, круто закругленные у бортов в плане, обуславливают достаточно большой угол входа ватерлиний, что приводит к нарушению плавного обтекания, образованию носовой подпорной волны («эффект бульдозера»), возникновению носовых вихрей, образованию «отрывного» пузыря и отрыву пограничного слоя по всему периметру сечения корпуса в месте сопряжения поверхности носовой оконечности с цилиндрической вставкой (см. фиг.16).
Также известно техническое решение носовой оконечности судна по патенту РФ №2443591, принятое за ближайший аналог (прототип), в котором носовая оконечность образована поверхностью правого и левого бортов, соединяющихся у форштевня, и представляет собой носовое заострение корпуса судна. Кроме того, ватерлинии носовой оконечности 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. Однако такая форма ватерлиний предназначена для решения задачи улучшения ледопроходимости надводного судна за счет повышения эффективности разрушения ледового покрова. При движении на чистой воде такие очертания ватерлиний носовой оконечности влекут достаточно большой угол входа ватерлиний по всему периметру сечения корпуса непосредственно за местом излома и образование перепада давления. Это, как и в предыдущих аналогах, также приводит к нарушению плавного обтекания, возникновению носовых вихрей, образованию «отрывного пузыря» и отрыву пограничного слоя от поверхности по всему периметру сечения погруженной части корпуса и, следовательно, к повышению сопротивления формы (см. фиг.1а). Срыв этих вихрей с поверхности корпуса в районе сопряжения закругления поверхности носовой оконечности с вертикальной поверхностью бортов, с одной стороны, и с поверхностью днища и палубы, с другой, приведет к резкому продольному перепаду давления вдоль поверхности корпуса и, как результат, увеличению значения Rф - сопротивления формы (вихревого сопротивления), которое является частью общего сопротивления воды движению судна.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции носовой оконечности подводного корпуса полупогружных судов, преимущественно крупнотоннажных танкеров, газовозов и контейнеровозов длиной около 300,0 м, шириной до 60,0 м и высотой около 14,0 м, у которых отношение ширины корпуса к ее высоте (В/Н) лежит в диапазоне 4,0÷4,3.
Основной технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в снижении сопротивления формы (вихревого), как одной из составляющих общего сопротивления воды движению судна.
n
n
Указанный технический результат достигается за счет того, что аналогично прототипу носовая оконечность подводного корпуса полупогружного судна, представляющая собой носовое заострение корпуса судна, образована поверхностью правого и левого бортов. Но так как отношение максимальной ширины носовой оконечности к ее максимальной высоте находится в диапазоне 4,0÷4,3, поэтому носовое заострение, образованное нижней и верхней лекальными поверхностями, сопряженными в кормовом направлении с днищем и палубой, расположено в горизонтальной плоскости.При этом эти поверхности, соединяясь на середине высоты подводного корпуса, образуют контур срединной ватерлинии (СВЛ) носовой части, которая вместе с остальными ватерлиниями, расположенными выше и ниже СВЛ на 1/10 ширины судна, не имеют кривизны, т.е. являются прямолинейными, при этом, для исключения большого угла входа ватерлиний, их очертаниям в плане до сопряжения с линией борта, придана форма кривой со значительно большим радиусом кривизны, а геометрическое место точек (с координатами х, у), образующих контуры бортовых ветвей, являющихся продолжением прямолинейных участков и закругляющихся в направлении кормы вплоть до плавного сопряжения с ватерлиниями цилиндрической вставки, определяется по формуле (1). Так как нижняя и верхняя части корпуса симметричны относительно СВЛ, а левая и правая части - относительно диаметральной плоскости, расчет контуров бортовых ветвей ватерлиний проводится для 1/4 поверхности корпуса носовой оконечности от плоскости ZQX. Геометрическое место точек контура бортовых ветвей ватерлиний определяется для любой по высоте от СВЛ n-й ватерлинии в соответствии с формулой (в системе координат XOY координаты точки Q(l;b)):
где b - полуширина носовой оконечности без прямолинейного участка при ДП;
l - длина носовой оконечности (1/20L - 1/22L), где L - длина подводного корпуса;
k - коэффициент, определяющий положение ватерлинии по высоте от СВЛ (для СВЛ k=1).
n
n
При этом конец бортовых ветвей всех ватерлиний сопрягается с линией полной ширины цилиндрической вставки подводного корпуса, а вычисление коэффициента k для n-й ватерлинии производится посредством формулы, определяющей геометрическое место точек для контура батокса, отстоящего от ДП на 1/10 В в координатах ZQХ, в виде:
n
где z - аппликата точек поверхности обшивки в плоскости батокса при Y =1/10 В,
с - коэффициент пропорциональности.
При этом батоксы, начиная от носового контура СВЛ, в кормовом направлении симметрично изменяют кривизну до плавного сопряжения с контуром палубы и днища цилиндрической вставки корпуса.
n
n
n
n
n
n
Тогда в точке D (точка сопряжения контура батокса плоскости XQZ с контуром палубы цилиндрической части подводного корпуса) z=H/2, х=l. Подставив значения z, х определим значения коэффициента с
c=4l/h2.
Подставив найденные значения с в формулу (2), получим
n
n
Задаваясь значением высоты n-й ватерлинии, т.е. значением z от СВЛ, находим величину х по формуле (3).
n
Тогда координаты проекции точки U на плоскость системы координат XOY будут x=l-x, а y=b. Подставив значение х и у в формулу (1), находим значение коэффициента k.
В частном случае заявляемого технического решения соединение верхней и нижней поверхностей носовой оконечности в плоскости срединной ватерлинии на 1/10 ширины корпуса симметрично от ДП к бортам выполнено в виде прочной наделки, представляющей собой незамкнутый элемент цилиндрической оболочки с расстоянием между кромками порядка 300,0 мм, которая, по существу, является «горизонтальным форштевнем», при этом кромки наделки (форштевня) плавно сопряжены с верхней и нижней поверхностями обшивки носовой оконечности.
В другом частном решении носовая оконечность подводного корпуса полупогружного судна имеет длину, равную 1/20÷l/22 длины подводного корпуса (l/20L÷l/22L), что является достаточным для плавного, без завихрений, изменения направления движения пограничного слоя в зоне сопряжения поверхности носовой оконечности с палубой, днищем и бортами.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 показана схема сопряжения поверхности носовой оконечности аналогов, где 1 - контур ватерлинии судна в плане, 2 - носовая оконечность, 3 - зона перепада давлений и отрыва пограничного слоя, 4 - толщина пограничного слоя, 5 - «отрывной» пузырь.
n
n
На фиг.2 показаны системы координат, основные плоскости и исходные параметры для расчетов контура любой ватерлинии носовой оконечности по высоте подводного корпуса, где: X, Y, Z, Х - оси координат; точки Q и О - центры систем координат; 1 - половина ширины цилиндрической вставки подводного корпуса; 2 - плоскость батокса параллельного ДП; 3 - срединная ватерлиния; 4 - плоскость батокса ДП; n-любая по высоте носа корпуса ватерлиния; l-длина носовой оконечности; Н/2 - половина высоты подводного корпуса; 1/10 В - ширина участка поверхности с прямолинейными очертаниями ватерлиний; b - ширина участка лекальных бортовых ветвей ватерлиний, равная 4/10 В
На фиг.3 показан общий вид носовой оконечности, где 1 - «горизонтальный форштевень», 2 - нижний и верхний участки прямолинейных ватерлиний, 3 - линия сопряжения носовой оконечности с цилиндрической вставкой подводного корпуса