КАТАМАРАН
CATAMARAN

Изобретение относится к области судостроения и касается конструкций катамаранов и двухкорпусных судов с малой площадью ватерлинии.
Известен катамаран с подводным крылом (RU 192130 U1, 2019), содержащий два корпуса, связанных между собой соединительным мостом. Для снижения нагрузок от ударов волн нижняя поверхность моста в носовой оконечности выполнена с наклоном по отношению к основной плоскости судна, обеспечивающим "подъем" моста в носу. Соединительный мост выполнен в виде двух пересекающихся арок, образующих вместе с бортами корпусов свод катамарана в междукорпусном пространстве. Между корпусами ниже ватерлинии установлено крыло, закрепленное на бортах корпусов. Крыло имеет три места фиксации к шпангоуту, два из которых расположены по краям крыла, обеспечивая фиксацию крыла к поверхностям, расположенным ближе к килям корпусов катамарана, а третье расположено на вертикальной стойке по центру крыла и обеспечивает фиксацию к линии пересечения двух арок. Технический результат такого решения заключается в обеспечении жесткости конструкции катамарана, в частности конструкции крыла катамарана и связанного с ней элемента силового набора корпуса катамарана.
Наиболее близким по конструкции к настоящему изобретению является известный катамаран (RU 2025389 С1, 1994), который содержит два корпуса, соединенных между собой мостом, и установленные между корпусами ниже ватерлинии, по меньшей мере, три крыла, два дифферентовочных из которых размещены соответственно под носовой и кормовой оконечностями катамарана, а, по меньшей мере, одно среднее разгружающее крыло расположено между двумя указанными выше крыльями. При этом носовое и кормовое дифферентовочные крылья удалены от центра масс катамарана по его длине на расстояния, равные, соответственно, не менее 30% и 20% от длины корпуса катамарана, а точка приложения подъемной силы, по крайней мере, одного среднего крыла удалена в сторону носовой оконечности катамарана от его центра масс на расстояние, равное 5-20% длины корпуса катамарана. Носовое крыло может быть выполнено V-образным или трапецеидальным в плоскости шпангоута и с углом килеватости его наклонных элементов не менее 10°. Кроме того, оно может быть установлено по высоте с возможностью расположения над свободной горизонтальной поверхностью тихой воды или под этой поверхностью и, соответственно, с высотой возвышения или глубиной погружения, равной не более половины его хорды.
При движении на волнении и вертикальных перемещениях корпусов катамарана из-за вертикальной качки происходит поочередное погружение и всплытие крыльев, что приводит к возрастанию подъемной силы при погружении и ее уменьшению при всплытии, снижая тем самым амплитуды вертикальных перемещений. При колебаниях судна относительно поперечной оси (килевая качка) поочередно носовое или кормовое крыло оказывается вблизи свободной поверхности, в то время как другое - на значительном углублении, благодаря чему возникает стабилизирующий момент, способствующий уменьшению амплитуд килевой качки.
Однако, недостатком упомянутых известных катамаранов с подводными крыльями являются низкие ходовые качества при малых и умеренных скоростях хода как в условиях тихой воды, так и при волнении. При таких скоростях крыло создает малую подъемную силу и имеет низкое гидродинамическое качество. К недостаткам также можно отнести большую интенсивность килевой, вертикальной и бортовой качки, большие ударные нагрузки на конструкции судна, их высокую материалоемкость, низкие комфортабельность и экономическую эффективность.
Задачей настоящего изобретения явилось создание конструкции катамарана, которая обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в уменьшении амплитуд килевой, вертикальной и бортовой качки, в снижении ударных нагрузок на конструкции и в повышении ходовых качеств в условиях волнения, а также в повышении комфортабельности.
Поставленная задача решена и декларированный технический результат достигнут тем, что предлагаемый катамаран, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, два корпуса, соединительный мост, соединяющий корпусы, и крыло, установленное под соединительным мостом между корпусами и прикрепленное к корпусам, отличается от ближайшего аналога тем, что его соединительный мост снабжен клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, а крыло выполнено с удлинением не менее 3, установлено носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, с обеспечением угла атаки при движении судна на тихой воде от 5° до 15°, соединено своей средней частью стойкой с нижней частью клинообразной наделки и отстоит от ближайших точек клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды.
Снабжение соединительного моста предлагаемого катамарана клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, а также выполнение крыла с удлинением не менее 3, установленного носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, с обеспечением угла атаки при движении судна на тихой воде от 5° до 15°, соединенного своей средней частью стойкой с нижней частью клинообразной наделки и отстоящего от ближайших точек клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды, обеспечивает уменьшение амплитуд килевой, вертикальной и бортовой качки, снижение ударных нагрузок на конструкции и повышение ходовых качеств в условиях волнения, а также повышение комфортабельности.
В отличие от упомянутых выше известных технических решений с крылом, установленным ниже конструктивной ватерлинии и обеспечивающим за счет создания стабилизирующих сил уменьшение амплитуды килевой качки, предлагаемая конструкция катамарана, снабженная крылом, расположенным выше конструктивной ватерлинии и характеризуемым упомянутыми выше параметрами, приводит к уменьшению амплитуд не только килевой, но и вертикальной и бортовой качки, к снижению ударных нагрузок на конструкции и к повышению ходовых качеств в условиях волнения, а также комфортабельности.
Крыло выполняет функцию непосредственной защиты носовой оконечности соединительного моста от ударов о встречные волны, обеспечивающей снижение ударных нагрузок на соединительный мост, что обеспечивается путем создания определенного барьера для ударного воздействия на носовую часть соединительного моста потока взволнованной жидкости, а также за счет формирования скоса потока, натекающего на соединительный мост при ударе, и его завихрения.
Для этого вблизи клинообразной наделки, расположенной в носовой части соединительного моста и сужающейся в носовом направлении, расположено выше конструктивной ватерлинии не менее чем на четверть вертикального клиренса катамарана крыло большого удлинения (удлинение не менее 3), установленное носовее шестого теоретического шпангоута, заделанное на бортах корпусов и опирающееся на стойку, соединенную с нижней частью клинообразной наделки. Угол атаки крыла при движении судна на тихой воде составляет от 5° до 15°. Крыло соединено в средней части с нижней частью клинообразной наделки с помощью стойки и отстоит от ближайших точек соединительного моста не более, чем на среднюю величину хорды.
В плане крыло может быть прямым, стреловидным или иметь обратную стреловидность. В поперечной плоскости катамарана крыло может быть V-образным или трапецеидальным.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана носовая часть предлагаемого катамарана с частичным разрезом по диаметральной плоскости, где 1 - корпус, 2 - соединительный мост, 3 - клинообразная наделка, 4 - крыло и 5 - стойка.
На фиг. 2 приведен вид А снизу фиг. 1.
На фиг. 3 показана зависимость от времени гидродинамической нагрузки на соединительный мост, вызванной ударом его носовой части о встречную волну, при традиционной конструкции катамарана, не содержащей крыла, расположенного выше конструктивной ватерлинии, и при предлагаемом техническом решении.
Предлагаемый катамаран содержит два корпуса 1 и соединительный мост 2, соединяющий корпусы 1 и снабженный симметричной относительно диаметральной плоскости клинообразной наделкой 3. Катамаран также содержит крыло 4 с удлинением не менее 3, которое установлено носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана и закреплено своими концами на внутренних бортах корпусов 1. Крыло 4 соединено своей средней частью с нижней частью клинообразной наделки 3 стойкой 5, установленной в диаметральной плоскости катамарана.
Крыло 4 отстоит от ближайших точек клинообразной наделки 3 соединительного моста 2 не более, чем на среднюю величину хорды.
Угол атаки крыла 4 при движении судна на тихой воде составляет от 5° до 15°.
Соединяющее корпусы 1 крыло 4 эффективно препятствует горизонтальному смещению носовых оконечностей корпусов 1 друг относительно друга и изгибу их в горизонтальной плоскости (в плоскости наименьшей изгибной жесткости), тем самым, существенно увеличивая жесткость и прочность носовой оконечности катамарана.
Кроме того, крыло 4 выполняет функцию стабилизатора качки, создавая при продольной качке дополнительные восстанавливающие и демпфирующие силы.
Установка крыла 4 вблизи поверхности клинообразной наделки 3 соединительного моста 2 защищает эту поверхность от ударов волн. Это происходит, во-первых, за счет создания барьера для ударного воздействия потока взволнованной жидкости на поверхность соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3. Сначала этот поток оказывает силовое воздействие на крыло 4, в результате чего значительная часть энергии потока расходуется на образование брызговых струй и каверн, которые не дают возможности потоку воздействовать на значительную часть поверхности соединительного моста 2. Во-вторых, при наличии хода катамарана поток жидкости в результате взаимодействия с крылом 4 существенно скашивается, в результате чего вертикальные скорости частиц жидкости в потоке после обтекания крыла 4 уменьшаются. Следствием такого уменьшения является снижение ударного воздействия взволнованного потока жидкости на носовую оконечность соединительного моста 2, снижение перегрузок катамарана и повышение комфортабельности перевозки на нем пассажиров.
Упомянутый скос потока увеличивается при относительно близком расположении крыла 4 к поверхности соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3, что происходит, когда крыло 4 отстоит от ближайших точек клинообразной наделки 3 соединительного моста 2 не более, чем на среднюю величину хорды, и, наоборот, ослабевает при расположении крыла 4, на более удаленном расстоянии от соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3.
Соединение средней части крыла 4 стойкой 5 с нижней частью клинообразной наделки 3 обеспечивает создание опоры для крыла 4, создавая благодаря двукратному уменьшению его пролетов условия для существенного снижения материалоемкости при требуемом уровне прочности.
При более низком расположении крыла 4, т.е. ниже четверти вертикального клиренса катамарана или ниже его конструктивной ватерлинии, защитные свойства крыла 4 существенно ослабевают, поскольку непосредственно перед ударом соединительного моста 2 о встречную волну начинают смыкаться противоположные поверхности образуемых крылом 4 каверн и их формы становятся неустойчивыми. Кроме того, существенное заглубление крыла 4 в волну, наблюдаемое при низком его расположении, влечет существенное уменьшение скоса потока жидкости, натекающей на соединительный мост 2 при его ударном взаимодействии с волной.
При качке катамарана наибольшие относительные перемещения соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3 по отношению к взволнованной поверхности жидкости наблюдаются в носовой оконечности судна носовее шестого теоретического шпангоута, в связи с чем крыло 4 целесообразно располагать именно носовее шестого теоретического шпангоута, где действуют наиболее интенсивные ударные нагрузки на соединительный мост 2 и его клинообразную наделку 3.
Крыло 4 нецелесообразно выполнять чрезмерно широким, имеющим удлинение менее 3, поскольку с уменьшением удлинения нагрузка на крыло 4, вызванная взаимодействием с волной, резко возрастает и может заметно превышать нагрузку на соединительный мост 2 и его клинообразную наделку 3, что лишает смысла использовать крыло 4 с большой шириной.
Угол атаки крыла 4 при движении катамарана на тихой воде следует выбирать в диапазоне от 5° до 15°, поскольку при углах атаки менее 5° крыло 4 становится неэффективным из-за резкого снижения его стабилизирующих свойств при килевой качке, а при углах атаки более 15° резко возрастает лобовое сопротивление крыла 4 и значительно снижается ходкость судна на волнении.
Уменьшение суммарной ударной нагрузки на соединительный мост 2 подтверждают выполненные авторами настоящего изобретения результаты расчетов, которые приведены на фиг. 3 и показывают, что использование в конструкции катамарана крыла 4 по сравнению со случаем его отсутствия в начале взаимодействия носовой оконечности катамарана с вершиной волны приводит к весьма незначительному увеличению суммарной нагрузки на носовую оконечность катамарана, но при дальнейшем взаимодействии обеспечивает существенное снижение максимальной суммарной нагрузки на носовую оконечность катамарана.
Предлагаемая конструкция катамарана для снижения ударных нагрузок особенно эффективна при наличии ограничений на скорость хода катамарана. В этом случае использование крыльев, расположенных, как в упомянутых выше аналогах, ниже уровня конструктивной ватерлинии и имеющих на малых и умеренных скоростях хода низкое гидродинамическое качество, нецелесообразно из-за существенного снижения скорости хода как на тихой воде, так и на волнении.
Расположение крыла 4, как предусмотрено настоящим изобретением, выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, а также придание ему высокого гидродинамического качества за счет выбора значительного удлинения (не менее 3) и угла атаки при движении судна на тихой воде от 5° до 15° обеспечивают при отмеченных скоростях хода одновременно повышение ходкости (скорости движения) в условиях волнения, снижение интенсивностей килевой, вертикальной и бортовой качки, ударных нагрузок на конструкции катамарана, их материалоемкости, повышение комфортабельности и жесткости катамарана.
Таким образом, предлагаемое изобретение обеспечивает:
- снижение интенсивности килевой, вертикальной и бортовой качки;
- уменьшение ударных нагрузок на конструкции катамарана;
- повышение жесткости и прочности носовой оконечности катамарана;
- снижение материалоемкости конструкций;
- повышение комфортабельности катамарана за счет снижения интенсивности продольной качки, общей вибрации судна и нагрузок, действующих на конструкции в условиях волнения и качки судна;
- улучшение ходовых качеств катамарана на тихой воде и на волнении;
- увеличение экономической эффективности катамарана.