НОСОВАЯ ОКОНЕЧНОСТЬ КОРПУСА СУДНА
FORWARD END OF SHIP HULL

Изобретение относится к области судостроения, в частности к проектированию корпусов судов.
Известна конструкция передней части судна вытеснительного типа (RU 2374120, МПК В63В 1/06, опубл. 27.11.2009 г.) с поперечной симметрией относительно центральной оси, причем образующие линии корпуса увеличиваются по ширине от базовой линии. Низ является плоским или имеет килеватость и переходит в днище с заданным радиусом днища. От днища и до заданной высоты образующие линии немного наклонены наружу. На уровне палубы бака форма наклонной наружу линии прекращается и проходит вверх в виде изогнутой линии обратно в направлении центральной оси.
Данная конструкция обладает следующими недостатками:
- судно имеет большую парусность;
- рулевая рубка удалена от машинного отделения, что затрудняет прокладку кабельных трасс;
- плохие условия обитаемости;
- удары волн могут выбить иллюминаторы в рубке и привести к повреждению навигационного оборудования;
- при большой высоте волн они могут перехлестнуться через надстройку, при этом плоские поверхности палубы будут способствовать захвату носа судна волной [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - с. 21-30];
- плохая всхожесть на волну, т.к. из-за стройности ватерлинии судно врезается в волну, и она скручивается над носом и в сторону, в результате чего нос судна может быть захвачен волной, что приведет к гибели судна.
Известен корпус судна с завалом борта и обратным наклоном форштевня (US 6601529, В63В 3/00, опубл. 05.08.2003 г.).
Недостатком данной конструкции является то, что вследствие наличия плоских поверхностей бортов в носовой оконечности при ее захвате волной на встречном волнении на них будет развиваться гидродинамическая сила, направленная перпендикулярно направлению обтекания, а также кренящий момент [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. - СПб.: Лань, 2020. - с. 242-257]. В результате этого судно может быть резко развернуто лагом к волне и опрокинуто, что может привести к гибели экипажа.
Известен корпус судна, представляющий собой непроницаемую оболочку, состоящую из тонких листов, которые подкреплены балками, выполненными из прокатных или составных сварных профилей (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с., с. 9-11, рисунок 1).
Данная конструкция обладает недостатком, заключающимся в возможности захвата носовой оконечности волной, что обусловлено наличием плоских поверхностей палубы и надстройки бака, вследствие чего может произойти падение мета-центрической высоты и опрокидывание судна либо разрушение его корпуса [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра - Вып. 82(366), 2014 - с. 21-30]. Захват носовой оконечности волной означает, что при сильном заливании палубы она работает в подводном положении как крыло, обтекаемое потоком жидкости, в результате чего на плоских поверхностях возникает равнодействующая сил давления, определяющаяся углом атаки и скоростью набегающей жидкости. При обтекании носовой оконечности потоком жидкости возникают гидродинамические усилия, действующие в направлении скорости обтекания и перпендикулярно этому направлению. Последняя составляющая будет разворачивать судно лагом к волне, что может привести к его опрокидыванию. Кроме того, при обтекании носовой оконечности жидкостью возникает кренящий момент, который будет способствовать опрокидыванию судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. - СПб.: Лань, 2020. - с. 242-257]. Под действием равнодействующей гидродинамических сил дифферент судна растет, при этом наблюдается резкое снижение поперечной метацентрической высоты, что способствует опрокидыванию судна. Кроме того, под действием гидродинамической силы корпус судна может быть разрушен.
В качестве ближайшего аналога принят корпус судна (RU 2672227, МПК В63В 1/06, В63В 43/02, опубл. 12.11.2018 г.), выполненный в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, причем носовая оконечность корпуса в верхней части выполнена обтекаемой, а плоская поверхность палубы в носовой оконечности сформирована обеспечивающими развал борта булями, оснащенными упругими элементами, расположенными в направляющих, закрепленных на обтекаемой поверхности носовой оконечности корпуса, жесткость которых выбрана так, что происходит смещение булей по направлению к днищу при достижении критической величины воздействующей гидродинамической силы, соответствующей предельно допустимому падению метацентрической высоты для данного судна, и возвращение булей в первоначальное положение при отсутствии внешних критических гидродинамических нагрузок.
Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что ее обтекание потоком жидкости при захвате волной будет симметричным лишь при отсутствии крена судна. При возникновении крена данная форма поперечных сечений носовой оконечности корпуса с булями приведет к несимметричности процесса их обтекания. Поэтому при обтекании такой носовой оконечности потоком жидкости может возникать значительная гидродинамическая боковая сила, стремящаяся развернуть судно перпендикулярно его первоначальному курсу, а также кренящий момент, в результате чего судно может быть опрокинуто.
Изобретение решает задачу повышения безопасности мореплавания, исключая катастрофическое снижение остойчивости судна и опрокидывание при захвате волной носовой оконечности судна, за счет улучшения условий обтекания носовой оконечности для исключения возникновения кренящего момента и боковой силы при погружении носовой оконечности в воду, а также создания дополнительного восстанавливающего момента.
Для получения необходимого технического результата носовую оконечность корпуса судна, выполненную с обтекаемой верхней частью в виде непроницаемой оболочки, сформированной из наружной обшивки и балок набора, предлагается снабдить бульбовой наделкой. Основную часть носовой оконечности корпуса и бульбовую наделку предлагается выполнить в форме прямых круговых цилиндров со сферическими передними поверхностями, оси цилиндров ориентировать параллельно, а нижние образующие цилиндров расположить на одной прямой.
В предлагаемом техническом решении при зарывании носовой оконечности в волну обтекаются те участки корпуса, которые симметричны относительно продольной оси судна, а также бульбовая наделка в форме прямого кругового цилиндра, в результате чего улучшается обтекание корпуса судна, предотвращается возникновение боковой силы и кренящего момента, а также создается дополнительный восстанавливающий момент, за счет чего исключается опрокидывание судна.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - общий вид носовой оконечности корпуса судна;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг.1;
на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг.1;
на фиг. 4 - схема возникновения восстанавливающего момента при обтекании носовой оконечности корпуса судна потоком жидкости в условиях ее захвата волной.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - часть основная носовой оконечности;
2 - наделка бульбовая;
3 - часть сферическая основной части носовой оконечности;
4 - часть сферическая бульбовой наделки;
5 - ось основной части носовой оконечности;
6 - ось бульбовой наделки;
7 - образующая нижняя цилиндрической части основной части носовой оконечности;
8 - образующая нижняя цилиндрической части бульбовой наделки;
Ρ - гидродинамическая сила, действующая на бульбовую наделку при захвате волной носовой оконечности;
υ - скорость обтекания носовой оконечности потоком жидкости при ее захвате волной;
В
М - восстанавливающий момент;
ДП - диаметральная плоскость.
Конструкция носовой оконечности корпуса судна состоит из наружной обшивки и балок набора, формирующих основную часть 1 носовой оконечности и  бульбовую наделку 2, включающих сферическую часть 3 основной части носовой оконечности и сферическую часть 4 бульбовой наделки. Для улучшения условий обтекания корпуса судна в вертикальной плоскости и повышения остойчивости судна ось 5 основной части носовой оконечности параллельна оси 6 бульбовой наделки, причем нижняя образующая 7 цилиндрической части основной части носовой оконечности лежит на одной прямой с нижней образующей 8 цилиндрической части бульбовой наделки.
Носовая оконечность корпуса судна работает следующим образом. При движении судна на сильном встречном волнении может происходить периодическое погружение в воду носовой оконечности, что ведет к появлению сложного режима обтекания палубы. В таких условиях возможно возникновение значительных нагрузок, действующих на корпус судна, вызванных обтеканием погруженной палубы, которую можно рассматривать как крыло сложной формы, расположенное под углом атаки к набегающему потоку жидкости. Под действием компоненты гидродинамической силы, действующей в направлении обтекания, дифферент судна будет увеличиваться, а параметры его остойчивости резко снижаться. Также у судов с традиционной конструкцией носовой оконечности возникает значительная гидродинамическая сила, действующая перпендикулярно направлению обтекания, стремящаяся развернуть судно лагом к волне и кренящий момент, в результате чего судно может быть опрокинуто [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. - СПб.: Лань, 2020. - с. 242-257]. Кроме того, происходит рост напряжений от общего изгиба, что может привести к разрушению корпуса судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Труды Крыловского государственного научного центра. - Вып. 82(366), 2014. - с. 21-30].
В предлагаемой конструкции носовой оконечности корпуса судна гидродинамические нагрузки, действующие на нее, уменьшатся за счет обтекаемой формы обводов основной части 1 носовой оконечности, сферической части 3 основной части носовой оконечности и сферической части 4 бульбовой наделки 2. Так как основная часть 1 носовой оконечности выполнена в форме прямого кругового цилиндра, то при ее обтекании потоком жидкости при зарывании носовой оконечности в волну не возникает гидродинамических моментов, стремящихся опрокинуть судно. Обтекание носовой оконечности предлагаемой конструкции в вертикальной плоскости не сопровождается возникновением существенной по величине составляющей гидродинамической силы, стремящейся развернуть судно лагом к волне, даже при наличии крена судна, так как обтекание цилиндрической части основной части 1 носовой оконечности и бульбовой наделки 2 будет симметричным.
В
При реализации данного технического решения бульбовая наделка 2 устанавливается таким образом, что ось 5 основной части носовой оконечности параллельна оси 6 бульбовой наделки, а нижняя образующая 7 цилиндрической части основной части носовой оконечности лежит на одной прямой с нижней образующей 8 цилиндрической части бульбовой наделки. Благодаря такому расположению бульбовой наделки 2 при ее обтекании в вертикальном направлении при зарывании судна носом в волну возникает гидродинамическая сила Р, которая при наличии крена судна будет стремиться повернуть судно относительно продольной оси в направлении уменьшения угла крена (фиг. 4). Таким образом, будет создаваться дополнительный восстанавливающий момент М, улучшающий остойчивость судна с предлагаемой конструкцией носовой оконечности в условиях захвата волной.
Параллельность оси 5 основной части носовой оконечности и оси 6 бульбовой наделки позволяет добиться того, что при обтекании бульбовой наделки 2 в вертикальном направлении даже при наличии крена судна будет отсутствовать составляющая гидродинамической силы, разворачивающая судно лагом к волне.
При этом на носовые оконечности, для которых обтекание будет несимметричным, в том числе и на конструкцию ближайшего аналога, в условиях захвата волной на встречном волнении будет действовать гидродинамическая сила, направленная перпендикулярно результирующей скорости обтекания и кренящий момент, величина которых достаточна для опрокидывания судна [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Дмитровский В.А. Конструктивное обеспечение безопасности мореплавания: монография. - СПб.: Лань, 2020. - с. 242-257].
Таким образом, предлагаемая конструкция, по сравнению с ближайшим аналогом, позволяет предотвратить разворот судна лагом к волне и его опрокидывание на встречном волнении в штормовых условиях, что способствует повышению безопасности мореплавания.