КОРМОВОЕ КРЕСТООБРАЗНОЕ ОПЕРЕНИЕ ПОДВОДНОГО АППАРАТА
STERN CRUCIFORM CONTROL SURFACES OF SUBMERSIBLE CRAFT

Изобретение относится к области судостроения, а именно к конструктивному оформлению кормового оперения подводного аппарата (ПА), назначением которого является обеспечение устойчивости и управляемости подводного аппарата.
Предъявление все более строгих требований к уровням вибрации и шума на судах с целью улучшения обитаемости, например на круизных судах, и повышения надежности функционирования разнообразной аппаратуры, включая гидроакустическую, на рыбопромысловых и исследовательских судах, на кораблях и подводных аппаратах, привело к разработке различных приемов снижения шумоизлучения.
Известно, что уровни кавитационных и виброакустических характеристик работающих движителей, которыми для одновальных подводных аппаратов служат гребные винты, определяются степенью неоднородности поля скоростей набегающего потока в кормовой оконечности. Набегающий поток в месте расположения гребного винта пространственно неоднороден и из-за наличия в нем турбулентных пульсаций нестационарен (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 гребного винта 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 либо с формированием свободных вихревых систем в результате обтекания конструктивных элементов архитектуры подводного аппарата.
Вихревые системы образуются в результате проявления несущих свойств корпуса и выступающих частей, особенно тех, которые обтекаются под углами атаки, а также при локальных пространственных отрывах взаимодействующих друг с другом пограничных слоев корпуса и выступающих частей. Одними из наиболее важных являются пары взаимно противоположных по знаку вихрей, представляющих собой свободные ветви подпорных подковообразных вихрей, которые возникают перед носовыми кромками выступающих частей в месте их примыкания к корпусу под влиянием отрыва пограничного слоя вследствие сильного положительного градиента давлений. Параметры течения в зоне подобного отрыва и интенсивность подпорных вихрей определяются в основном поперечными размерами и формой препятствия - выступающей части.
Решение проблемы, связанной с уменьшением степени неоднородности поля скоростей, основано на применении дополнительных специальных вихрегенераторных устройств, корректирующих 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 плоскости диска гребного винта), определяющем условия работы движителя.
Известно, что вихрегенераторы представляют собой небольшие крылья малого удлинения, устанавливаемые на поверхности корпуса ПА под некоторым углом атаки (Книга П.Чжен. Управление отрывом потока, УДК: 532.51:532.526:533.601.1, Москва, Мир, 1979, с.200 -304). Недостатком подобных способов «лечения» структуры неоднородности поля скоростей в диске гребного винта, изначально определяемой взаимным сочетанием обводов корпуса и выступающих частей, подчиненных другим общепроектным условиям, является слабая эксплуатационная надежность установки вихрегенераторов из-за повышенной вероятности их повреждения вследствие консольного крепления к корпусу, а также необходимость гашения их собственного шумоизлучения, которое определяется особенностями их геометрии и конструкции.
Вязкие следы всегда приводят к снижению продольных скоростей в месте их локализации, в том числе и в диске гребного винта, а свободные продольные вихри вслед за их возникновением затем продолжают распространяться вблизи от поверхности корпуса на большие расстояния по потоку. Возникающие продольные подковообразные вихри создают поперечные возмущения, близкие к потенциальным, и имеют сложный механизм воздействия на основное продольное течение. Механизм воздействия возникших подковообразных вихрей основан на сильной чувствительности пограничного слоя к возмущениям, направленным по линии наибольшего градиента продольной скорости, и заключается в направленном массообмене между сильно заторможенными пристеночными областями пограничного слоя корпуса и его периферией, где скорость течения мало отличается от скорости внешнего потенциального потока. При этом пограничный слой играет роль эффективного преобразователя даже очень слабых поперечных вихревых возмущений в относительно сильную трансформацию профиля продольных скоростей и которая возрастает в районе скоростей, где возмущения направлены от периферии пограничного слоя к поверхности корпуса. Указанные эффекты нарастают по мере удаления вихрей в корму от места зарождения и наиболее сильно проявляются в толстом пограничном слое в кормовой оконечности подводного аппарата. В результате взаимодействия с корпусом и между собой всех следов и свободных вихрей, идущих на гребной винт от корпуса и многочисленных выступающих частей, реальная структура неоднородности поля продольных скоростей оказывается достаточно сложной (А.И.Короткий, В.М.Котлович, Н.А.Кольцова, В.А.Тюшкевич. Проблемы оптимизации полей средних и пульсационных скоростей в районе расположения движителей подводных аппаратов. Материалы Международной конференции к 300- летию Российского флота, ВМФ и судостроение в современных условиях, Секция А, Подсекция А2, Гидродинамика. Том 2, с.А2-11-1-А2-11-11, г.С.-Пб, ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 1996 г.).
Окружная неоднородность поля скоростей в диске гребного винта вызвана всем комплексом факторов конструктивного и эксплуатационного характера, приводящих к неизбежным отклонениям от осесимметричного потока.
Известны различные типы кормового оперения. Наибольшее распространение получил крестообразный тип кормового оперения, преимущественно с выступающими частями - стабилизаторами, расположенными в ортогональных плоскостях. Такой тип оперения имеют атомные подводные лодки (АПЛ) «Nfuttilus» США, «Skipjack», США, пр. 971, СССР, который представлен в Военно-техническом альманахе «Тайфун» №2, 2002 г. в статье «Тенденции развития архитектуры подводных лодок», автор к.т.н. Б.Ф.Дронов, СПМБМ «Малахит».
Известные типы кормового оперения приведены также в учебном пособии «Архитектура подводных лодок», выпущенном Санкт-Петербургским государственным морским техническим университетом, С.-Пб, 1997 г., авторы Б.Ф.Дронов, А.М.Антонов и др. УДК: 623.827+523.5,013, с.16, 17, 23, 45 - рис.9, а). На российских ПА наиболее распространено крестообразное кормовое оперение. Кормовое оперение, которое представлено в упомянутом пособии на с.45, рис 9, а, представляет собой кормовые выступающие части, выполненные на корпусе ПА, расположенные в ортогональных плоскостях, удовлетворяющие требования гидродинамики и предназначенные для обеспечения управляемости и необходимой динамической устойчивости ПА. Конструктивно это достигнуто за счет установки стабилизаторов в кормовой оконечности ПА, которые демпфируют опрокидывающий момент, создаваемый корпусом. Стабилизаторам придана крыловидная форма, установлены они наиболее удаленно в корму. Кормовое оперение, представленное на с.45, рис.9, а в упомянутом учебном пособии, принято в качестве наиболее близкого аналога.
Все выступающие части корпуса ПА являются источником вихреобразования, вызывающего неоднородность поля скоростей потока, набегающего на гребной винт ПА.
Кормовое оперение также являются источником вихревых возмущений и неоднородности потока, набегающего на гребной винт, что повышает шумоизлучение и уровень кавитационных и виброакустических характеристик.
Задача изобретения заключается в снижении шумоизлучения и уровня кавитационных и виброакустических характеристик кормового оперения и ПА в целом за счет снижения окружной неоднородности поля скоростей потока, набегающего на кормовое оперение и гребной винт ПА.
Задача достигнута тем, что в известном кормовом оперении, содержащем горизонтальные и вертикальные верхнюю и нижнюю выступающие части - стабилизаторы, в составе которых имеются носовые неподвижные части и кормовые подвижные части - кормовые горизонтальные и вертикальные рули, согласно изобретению на неподвижных носовых частях горизонтальных и верхнего вертикального стабилизаторов установлено полукольцо (вихрегенератор), имеющее сечение крыловидной формы с переменными длинами хорд и установочными углами сечений вдоль периметра полукольца. Установочные углы полукольца выбраны в соответствии с углами атаки набегающего потока, а радиус мест установки упомянутого полукольца на стабилизаторах соответствует 1,2-1,3 радиуса корпуса подводного аппарата в районе установки полукольца, что соответствует области наибольшей степени неоднородности набегающего потока.
Кроме того, полукольцо выполнено из металла полым литосварным, при этом его полость заполнена композитным материалом.
Кроме того, полукольцо выполнено в виде двух металлических частей: верхней и нижней, которые соединены при помощи крепежа, при этом между верхней и нижней частями помещена вибропоглощающая пленка, имеющая толщину порядка 0,5 мм.
Предложенное решение наряду с основной функцией кормового крестообразного оперения, применяемого для подводных аппаратов для обеспечения устойчивости и управляемости при движении в безграничной жидкости, выполняет дополнительную функцию по выравниванию исходной неоднородности поля скоростей потока, набегающего на кормовое оперение и гребной винт, возникающей как от влияния выступающих частей кормового оперения, так и от влияния наибольшей составляющей неоднородности потока, вызванной подковообразным вихрем, исходящим от наибольшей выступающей части - ограждения выдвижных устройств. Это достигнуто за счет создания полукольцом дополнительно искусственно созданной системы вихрей в противовес основному вихревому потоку, идущему от стабилизаторов и других выступающих частей корпуса ПА, за счет чего обеспечено выравнивание поля скоростей, что влечет снижение уровня шумового и виброакустического фона кормового оперения и ПА в целом.
Выполнение полукольца полым литосварным, полость которого заполнена композитным материалом, позволяет снизить шумоизлучение и вибрацию, создаваемые кормовым оперением.
Выполнение полукольца в виде соединенных верхней и нижней металлических частей, между которыми помещена вибропоглощающая пленка, также позволяет снизить уровень шума и интенсивность вибрации кормового оперения.
На фиг.1 - общий вид кормовой части одновального корпуса ПА с кормовым крестообразным оперением и показанным условно подковообразным вихрем, идущим от ограждения выдвижных устройств.
На фиг.2 - вид по стрелке А на фиг.1.
На фиг.3 - сечение А-А на фиг.1 (первый вариант технологического выполнения металлической конструкции профиля полукольца - кольцевого крыла).
На фиг.4 - сечение А-А на фиг.1 (второй вариант технологического выполнения металлической конструкции профиля полукольца - кольцевого крыла).
уст
уст
Кормовое крестообразное оперение одновального ПА включает горизонтальные выступающие части 1 и вертикальные: верхнюю и нижнюю выступающие части 2 - стабилизаторы, которые выполнены на кормовой части корпуса 3 подводного аппарата перед гребным винтом 4. Стабилизаторы 1 и 2 имеют носовые неподвижные части и кормовые подвижные части. В кормовой части корпуса 3 ПА выполнено также ограждение 5 выдвижных устройств. На фиг.1 показан условно подковообразный вихрь, создаваемый ограждением 5 выдвижных устройств. На неподвижных носовых частях горизонтальных и верхнего вертикального стабилизаторов 1 и 2 перед кормовыми горизонтальными и вертикальными рулями (не показаны) установлено полукольцо 6 (вихрегенератор), имеющее сечение крыловидной формы (фиг.3) с переменными длинами хорд и установочными углами α  сечений по периметру полукольца. Радиус полукольца, а значит, и мест его закрепления на стабилизаторах соответствует 1,2-1,3 радиуса корпуса подводного аппарата в районе установки полукольца, где наблюдается наибольшая неоднородность набегающего потока. Установочные углы α  сечений полукольца выбраны в зависимости от местных углов атаки набегающего потока.
Для снижения виброактивности полукольца 6, находящегося под воздействием набегающего неоднородного потока, под различными углами дрейфа и атаки возможны два разных варианта технологии изготовления конструкции полукольца 6.
По первому варианту (фиг.3) основу конструкции полукольца составляет литосварная полая металлическая часть 7, образующая внутренний объем 8, который в целях снижения виброактивности полукольца 6, выравнивающего неоднородность потока, заполнен композитным материалом 9.
Конструкция полукольца во втором варианте (фиг.4) выполнена из двух металлических частей: верхней 10 и нижней 11. Две части полукольца соединены посредством штифтов 12 через промежуточную вибропоглощающую пленку 13, имеющую толщину порядка 0,5 мм.
Закрепление торцов полукольца 6 к неподвижным носовым частям вертикального и горизонтальных стабилизаторов 1 и 2 кормового крестообразного оперения осуществлено посредством крепежного соединения через вибропоглощающую пленку.
Полукольцо 6, создавая вихрь, который, находясь во взаимодействии с подковообразным вихрем 4 (фиг.1), вызванным присутствием на корпусе 3 ПА ограждения 5 выдвижных устройств, обеспечивает корректировку структуры набегающего на кормовое оперение и гребной винт 4 потока, способствуя снижению степени его неоднородности, а следовательно, и снижению шумового и виброакустического фона.
Одновременно при закреплении конструкции полукольца 6 на носовых неподвижных частях стабилизаторов 1, 2 обеспечивается и максимальное сокращение роста буксировочного сопротивления вследствие его появления в потоке. А за счет расположения полукольца 6, выравнивающего неоднородность потока, перед кормовыми горизонтальными и вертикальными рулями (не показаны) обеспечивается сохранение на прежнем уровне (таком, как до установки вихрегенераторного устройства в виде полукольца) качеств управляемости и маневренности подводного аппарата.
В настоящем изобретении принято устройство полукольцевого типа для выравнивания неоднородности поля скоростей в диске гребного винта одновальных подводных аппаратов. Поскольку наибольшая составляющая неоднородности поля скоростей обусловлена наличием подковообразного вихря, исходящего от места сопряжения с корпусом 3 наибольшей выступающей части, которая для подводного аппарата представлена ограждением 5 выдвижных устройств (фиг.1), этот подковообразный вихрь воздействует на поле скоростей лишь в верхней половине диска гребного винта. Вследствие этого полукольцо 6 установлено в верхней половине кормового крестообразного оперения.
В случае необходимости управления неоднородностью поля скоростей в нижней половине диска гребного винта на горизонтальных и нижнем вертикальном стабилизаторах кормового крестообразного оперения может быть установлено аналогичное полукольцевое устройство - вихрегенератор, элементы геометрии которого должны быть отработаны применительно к особенностям исходной неоднородности течения потока в указанной области.
Профиль и распределение переменных по периметру значений параметров геометрии полукольца 6 выбирают для каждого конкретного случая на основе проведения экспериментальной гидродинамической отработки.
Радиус R полукольца 6 (задающий его положение относительно корпуса) выбран таким, чтобы полукольцо 6 располагалось в районе ядер подковообразного вихря (фиг.1), что соответствует 1,2-1,3 радиуса корпуса подводного аппарата в районе установки полукольца, где наблюдается наибольшая неоднородность набегающего потока.
уст
Установочные углы α  для сечений полукольца, заданных угловой координатой θ, определяют в зависимости от соответствующих углов атаки набегающего потока.
При работе устройства при помощи полукольца 6 (вихрегенератора) создается дополнительная система вихрей, которая, взаимодействуя с исходной системой вихрей, создаваемой самим кормовым оперением и другими выступающими частями корпуса (ограждением 5), приводит к выравниванию поля скоростей, а следовательно, к снижению уровня шумоизлучения и вибрации кормового крестообразного оперения и ПА.
Размещением полукольца в районе носовых частей вертикального и горизонтального оперения достигнута максимальная эффективность его использования с целью корректировки поля скоростей не только для снижения степени неоднородности потока от влияния наибольшей выступающей части - ограждения выдвижных устройств, но и от подковообразных вихрей и вязких следов, идущих от кормового оперения путем обеспечения изменения структуры исходной системы вихрей за счет создания дополнительной, искусственно созданной системы вихрей, образованных по периметру полукольца.
Параметры и геометрия профиля полукольца, выполняющего роль вихрегенераторного устройства, определены его положением относительно оперения и корпуса, установочным углом, длиной хорды сечения, кривизной профиля сечения и диаметром полукольца, которым зафиксировано его отстояние от оси корпуса подводного аппарата. Профили меридиональных сечений полукольца (полукольцевого крыла) расположены под углами атаки к потоку, набегающему на кольцо. Кривизной сечения полукольца обеспечено безударное обтекание его входящей кромки.
Конструктивные элементы полукольца (форма сечения, хорды профиля и установочные углы), а также положение полукольца относительно корпуса ПА, задаваемого диаметром полукольца, подбирают индивидуально для каждого конкретного случая под исходную неоднородность потока, определяемую составом всей архитектуры подводного аппарата и качеством отработки ее обводов в процессе модельных экспериментов. Особенностью полукольца, выполняющего роль вихрегенераторного устройства, является переменность величин его конструктивных параметров (установочного угла, длины хорды сечения, кривизны профиля сечения, положения относительно корпуса, заданного диаметром кольца) из-за необходимости учета влияния оперения, которое, как и наличие любой выступающей части, вызывает увеличение степени неоднородности поля скоростей.
Предложенное решение кормового крестообразного оперения ПА с полукольцом, выравнивающим неоднородность поля скоростей набегающего потока, установленным на стабилизаторах и имеющим переменные величины его конструктивных параметров, обеспечивает снижение степени неоднородности поля скоростей в диске гребного винта, образованного под влиянием обтекания ограждения выдвижных устройств и кормового оперения. Такое снижение степени неоднородности поля скоростей в диске гребного винта способствует уменьшению пульсаций упора гребного винта и обеспечивает снижение уровня его акустического излучения на 1-й лопастной частоте до 4-5 дБ. При этом, поскольку для закрепления полукольца - вихрегенератора на корпусе не требуются применять каких-либо специальных стоек, рост буксировочного сопротивления и соответственно потеря скорости хода будут незначительными.