ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕЕ СУДНО С ВОЗДУШНОЙ КАВЕРНОЙ НА ДНИЩЕ
WATER-DISPLACING VESSEL WITH AIR CAVITY IN BOTTOM

Изобретение относится к судостроению и касается вопросов улучшения гидродинамических, технико-эксплуатационных и экологических качеств транспортных судов и создания корпуса судна с пониженным гидродинамическим сопротивлением за счет применения на днище устройства создания воздушной каверны.
В наибольшей степени заявляемое техническое решение проявляет эффект при использовании на речных судах и судах смешанного «река-море» плавания, эксплуатирующихся в условиях высокой вероятности повреждения днища, по причине ограниченной осадки и необходимости прохождения возникающих мелких участков русла реки.
Известно судно с воздушными кавернами на днище (патент на изобретение № RU 2461489, МПК B63B 1/38, опубл. 20.09.2012 г.), оборудованное устройством для создания под днищем искусственных каверн, включающим систему кавернообразования, состоящую из следующих друг за другом по длине судна расположенных на днище поперечных насадков в виде наклонных пластин и побортно установленных на днище продольных ограничительных килей. Судно имеет также источник принудительной подачи по трубопроводам воздуха под днище судна для создания и поддержания образованных за поперечными насадками каверн. Система кавернообразования выполнена убирающейся, для чего поперечные насадки и продольные кили выполнены с возможностью их раскрытия и складывания с прилеганием к днищу путем их поворота вокруг своих продольных осей, расположенных на днище судна.
Недостатком такой конструкции устройства с воздушными кавернами на днище является то, что элементы устройства представляют собой выступающие части на плоском днище судна как в рабочем положении, так и в сложенном. Опыт эксплуатации судов говорит о том, что любые выступающие части, расположенные на днище, подвержены повреждению с высокой вероятностью. Это особенно критично для речных судов и судов смешанного река-море плавания при эксплуатации в условиях ограничения осадки.
Кроме того, факт наличия механизма складывания элементов устройства образования воздушной каверны под днищем неизменно сопряжен с дополнительными мерами для обеспечения надежной его работы. Поскольку площадь для образования каверны занимает значительную часть днища судна, продольные кили, ограничивающие каверну, представляются значительной длины (примерно равной длине цилиндрической вставки судна), имеющими некую конструкцию, которую необходимо надежно закрепить и повернуть, что означает наличие привода поворота (электрического, гидравлического, пневматического и др. типов). Продольные кили выполняются разрезными из нескольких частей для снятия напряжений от прогиба корпуса судна. Следовательно, число приводов будет соответствовать числу секций продольных килей. К приводу поворота необходимо предусматривать источники питания, элементы резервирования, в местах выхода из корпуса рабочих частей приводов необходимо обеспечивать герметичность и прочность конструкции корпуса.
Известно судно, содержащее устройство для создания на днище судна единой воздушной каверны (патент № SU 1145587, МПК B60V 1/04, B63B 1/38, опубл. 30.04.1994 г.), рассматриваемое в качестве ближайшего аналога. Основным элементом устройства является днищевая выемка, внутри которой создается единая воздушная каверна с волновым профилем. Выемка ограничена носовым реданом, бортовыми килями и кормовой наклонной плоскостью. Для повышения поперечной остойчивости судна внутри выемки устанавливаются продольные кили, которые делят каверну на секции. Внутри выемки установлены поперечные насадки, обеспечивающие возможность создания единой каверны при движении судна. При движении судна воздух от источника воздуха по системе трубопроводов подается в каждую секцию выемки к редану и поперечным козырькам.
Признаками ближайшего аналога, совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются:
- наличие днищевой выемки, внутри которой создается воздушная каверна;
- наличие носового редана, бортовых килей и кормовой наклонной пластины (далее кормового свода), ограничивающих выемку;
- наличие дополнительных продольных килей для повышения поперечной остойчивости;
- наличие в составе устройства источников воздуха и системы трубопроводов.
Недостатком такого устройства для создания каверны является наличие выступающих частей в виде поперечных козырьков, повреждение которых может нарушить работу воздушной каверны и привести к повышению сопротивления при движении. Также к недостаткам относится нарушение целостности конструкции корпуса из-за необходимости прокладывать трубопроводы через двойные борта и двойное дно для подачи воздуха от источника к выходным отверстиям под днищем судна. Еще один недостаток состоит в том, что единая воздушная каверна под днищем судна, обеспечивающая минимальное сопротивление при движении и, как следствие, улучшение эксплуатационных характеристик, образуется только на расчетной скорости и скорости выше расчетной. В случае движения судна со скоростью меньше расчетной воздушная каверна представляет собой отдельные воздушные прослойки, образующиеся за поперечными козырьками, не изменяя или мало изменяя сопротивление движению судна.
В качестве предмета изобретения рассматривается водоизмещающее судно, содержащее днищевую выемку, ограниченную носовым реданом, бортовыми килями и кормовой наклонной пластиной, оборудованное устройством создания каверны под днищем судна, состоящим в общем случае из источника принудительной подачи воздуха и воздушных трактов, отличающееся от прототипа:
- исполнением воздушных трактов в поперечном сечении в форме трапеций, наклонные части которых оборудованы отверстиями для поперечной подачи воздуха в полость выемки с целью создания сплошной каверны под днищем судна);
- наличием системы подачи воздуха, не нарушающей целостности конструкции корпуса судна;
- применением схемы размещения (прокладки) воздушных трактов, не нарушающей целостности конструкции корпуса судна, расположенных снаружи корпуса, точнее - прикрепленных снаружи к его внешней обшивке;
- наличием естественной защиты элементов системы кавернообразования за счет выполнения воздушных трактов в форме трапеций и размещения отверстий для подачи воздуха в их наклонных частях;
- наличием конструктивной защиты системы кавернообразования за счет установки на воздушных трактах перед выходными отверстиями бортовых срывников, не выступающих за габариты нижней плоскости килей;
- отсутствием поперечных козырьков.
Задачей заявляемого технического решения является устранение недостатков, присущих аналогам изобретения, улучшение эксплуатационных характеристик судов, проявляющееся в конечном счете в повышении их экономической эффективности и экологической безопасности, повышении надежности системы образования воздушной каверны и снижении эксплуатационных затрат в том числе на возможный ремонт системы.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является снижение гидродинамического сопротивления движению корпуса судна за счет применения устройства для создания воздушной каверны на днище судна.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где
- на фиг. 1 схематично показан вид сбоку судна с воздушной каверной на днище и отмечено сечение А-А, относящееся к фиг. 2;
- на фиг. 2 изображено сечение А-А;
- на фиг. 3 схематично изображен вид сверху на носовую часть судна с левого борта в районе носового редана и начала выемки со снятым днищем. Стрелками показано движение воздуха для образования воздушной каверны.
- на фиг. 4 схематично изображено днище судна, где стрелками показано движение воздуха.
Цифрами и буквенными сокращениями на рисунках указаны:
1 - днище судна;
2 - выемка в днище судна;
3 - носовой редан (или носовой свод, который идентичен кормовому своду);
4 - кормовой свод;
5 - источник воздуха высокого давления;
6 - трубопровод;
7 - основной воздушный тракт;
8 - бортовой киль;
9 - дополнительный воздушный тракт (дополнительный продольный киль);
10 - выходное отверстие;
11 - бортовой срывник;
12 - ватерлиния судна в плоскости выемки;
13 - днище выемки;
14 - дополнительный источник воздуха;
ОП - основная плоскость судна;
ДП - диаметральная плоскость судна;
R - условный радиус отклонения потока воздуха.
Решение указанной задачи и достижение необходимого технического результата обеспечивается следующим образом.
Рассматриваемое в качестве изобретения водоизмещающее судно с воздушной каверной на днище 1 (фиг. 1) содержит выемку 2 для образования воздушной каверны, начинающуюся в носовой части с редана, и переходящую при помощи кормового свода в виде наклонной пластины в основную плоскость днища. По бортам выемка ограничена бортовыми килями 8 (фиг. 2).
Судно оборудовано устройством создания каверны под днищем судна, состоящим из расположенного в носу судна источника принудительной подачи воздуха 5, сообщенного трубопроводами 6 с полостью выемки 2 для создания внутри нее воздушной каверны и воздушных трактов.
Предложенная в настоящем техническом решении схема подведения воздуха от источника воздуха к выемке для образования воздушной каверны не нарушает целостности корпуса судна в отличие от прототипа, где воздух подводится к выходным отверстиям с помощью трубопроводов, проложенных через двойные борта и двойное дно.
Прокладка трубопроводов для подачи воздуха в общем случае осуществляется только в носовом отсеке судна, где располагается источник воздуха 5. В случае необходимости использования дополнительного, устанавливаемого в корме, источника воздуха 14 (фиг. 1), работающего с основным на один тракт с целью выравнивания давления и эффективного выдува воздуха по всей длине воздушного тракта, о чем подробнее будет сказано дальше, трубопровод может проходить также в кормовом отсеке судна, по-прежнему не нарушая целостности его корпуса.
Внутри выемки 2 параллельно диаметральной плоскости размещены основные воздушные тракты 7.
Основные воздушные тракты в поперечном сечении выполнены в виде прямоугольной трапеции и прикреплены со стороны прямого угла к бортовым килям 8, входящим в конструкцию корпуса судна. С наклонной стороны воздушные тракты оборудованы отверстиями, через которые в полость выемки подается воздух для создания сплошной воздушной каверны.
Функцию основных воздушных трактов 7, прикрепленных к бортовым килям, могут выполнять непосредственно бортовые кили 8.
В случае необходимости (устанавливается экспериментально) устройство для создания каверны может содержать дополнительные воздушные тракты 9. С этой целью судно по всей длине выемки оборудуется дополнительными продольными килями, выполняющими роль дополнительных воздушных трактов и разделяющими выемку на отдельные секции. Дополнительные продольные кили также ограничивают поперечное перемещение воздуха, обеспечивая тем самым повышение поперечной остойчивости судна.
Дополнительные воздушные тракты 9 выполняются в форме равносторонней трапеции и крепятся к днищу выемки 13 судна со стороны меньшего основания.
Дополнительные воздушные тракты, так же, как и основные воздушные тракты, оборудованы выходными отверстиями 10 с наклонной стороны трапеции для подачи воздуха под днище судна.
Выполнение воздушного тракта, основного или дополнительного, в виде трапеции большее основание которой находится внизу, ограничивая выемку судна, а меньшее основание находится в плоскости днища выемки 13, уменьшает вероятность повреждения выходных отверстий при ходе судна в условиях ограниченной осадки и при посадке на мель. Это достигается тем, что выходные отверстия, располагающиеся на наклонных участках воздушных трактов, находятся в тени от прямого воздействия разрушающих факторов.
Выходные отверстия воздушных трактов выполняются по всей длине выемки с шагом t>=0,1 В (ширина корпуса).
Перед каждым выходным отверстием 10 со стороны носовой оконечности судна на воздушных трактах устанавливаются бортовые срывники 11 (фиг. 3, 4) в виде клина, который ориентирован острой стороной к носу судна, способствующие образованию воздушной каверны и служащие дополнительными элементами защиты от попадания посторонних предметов в систему образования сплошной каверны. Кормовая кромка срывника вертикальна и не выступает за ширину киля.
Устройство для создания воздушной каверны может приводиться в действие при любом режиме движения судна и его работа одинаково эффективна в широком диапазоне скоростей судна.
Воздушные тракты могут быть оборудованы трубопроводами для прямой доставки воздуха к выходным отверстиям, соединенными с источниками воздуха повышенного давления. Однако это целесообразно при применении устройства создания воздушной каверны на крупных судах.
При использовании на речных судах и судах смешанного «река-море» плавания установка трубопроводов в воздушных трактах не обязательна. Роль трубопроводов могут выполнять непосредственно воздушные тракты, как основные, так и дополнительные. В этом случае воздух от начала воздушного тракта до выходного отверстия двигается непосредственно в полости воздушного тракта, который в этом случае является ресивером.
С целью выравнивания давления и эффективного выдува воздуха по всей длине воздушного тракта устройство для создания каверны может быть оборудовано дополнительным источником воздуха 14, устанавливаемым в корме судна, с целью одновременной их работы на один тракт. Кроме того, дублирование источников воздуха повышает надежность устройства создания воздушной каверны, обеспечивая работоспособность устройства при выходе из строя какого-либо источника воздуха.
Работа устройства, создающего воздушную каверну, осуществляется следующим образом.
Во время движения судна воздух из источника принудительной подачи 5 по системе трубопроводов 6 подается к редану 3 и к воздушным трактам 7 и/или 9. Подаваемый воздух, следуя внутри воздушных трактов, выходит через выходные отверстия 10 на воздушных трактах 7, 9 и редане 3 в полость выемки 2. При движении судна за реданом 3 и бортовыми срывниками 11, установленными на воздушных трактах 7 и/или 9, возникают области пониженного давления жидкости, создавая условия для засасывания и удержания в этих областях подаваемого воздуха. Нагнетаемый воздух создает отдельные каверны за реданом 3 и бортовыми срывниками 11, которые с течением времени возрастают, вытесняя воду, достигают своих предельных значений и объединяются, создавая общую сплошную воздушную каверну под днищем.
Выходные отверстия воздушных трактов 10 направляют воздух в выемку 2 перпендикулярно диаметральной плоскости судна (фиг. 3, фиг. 4). Во время движения судна поток воздуха, выходящий из воздушных трактов 7 и/или 9 перпендикулярно диаметральной плоскости, преодолевая сопротивление воды, которую необходимо вытеснить для образования воздушной каверны, отклоняется от указанного перпендикуляра, приобретая условный радиус, который зависит от скорости движения судна. Чем выше скорость судна, тем меньше условный радиус отклонения потока воздуха. Это объясняется тем, что с ростом скорости выдуваемому воздуху необходимо преодолевать сопротивление большего количества воды. И наоборот, чем меньше скорость судна, тем больше условный радиус поворота потока воздуха и тем раньше образуется сплошная воздушная каверна на днище, что обеспечивает снижение гидродинамического сопротивления движению в широком диапазоне скоростей хода судна, в отличие от прототипов, где максимальный эффект от использования устройства создания воздушной каверны проявляется на эксплуатационной скорости.
Прокладка трубопроводов для подачи воздуха при этом осуществляется только в носовом и/или кормовом (в случае наличия дополнительного источника подачи воздуха в корме) отсеках судна, где располагаются источники воздуха, не нарушая при этом целостности корпуса судна, в отличие от прототипа, где трубопроводы проложены через двойное дно и двойные борта, пересекая элементы конструкции корпуса.
Необходимо отметить, что при использовании на судне устройства создания воздушной каверны на днище, предложенного в настоящем техническом решении, необходимо проводить эксперимент, который установит оптимальные характеристики устройства создания воздушной каверны из расчета движения судна при максимальной скорости. Необходимость оборудования судна дополнительными воздушными трактами, а также их количество устанавливается экспериментально при проектировании конкретного судна. Таким образом, воздушная каверна, в соответствии с заявляемым техническим решением, обеспечивающая снижение гидродинамического сопротивления судна на максимальной скорости, гарантированно даст указанный эффект при движении судна с эксплуатационной скоростью и со скоростью ниже эксплуатационной.
Итак, предложенная в настоящем техническом решении схема образования воздушной каверны на днище обеспечивает снижение гидродинамического сопротивления движению судов и, как следствие, снижение мощности и расхода топлива судовой энергетической установки, что улучшает эксплуатационные характеристики судна, повышает его экономическую эффективность и снижает количество вредных выбросов в атмосферу продуктов сгорания топлива.
Создание на днище судна сплошной воздушной каверны обеспечивает снижение потребной мощности и расхода топлива главными двигателями по сравнению с таким же судном, но без воздушной каверны на днище, на 15-25% во всем эксплуатационном диапазоне скоростей хода.