КАТАМАРАН (ВАРИАНТЫ)
CATAMARAN (OPTIONS)

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, согласно первому варианту настоящего изобретения, 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, крыло выполнено в виде двух продольных крыльевых элементов с удлинением не более 0,5, соединенных между собой поперечным крыльевым элементом с удлинением не менее 3, и установлено с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента к внутреннему борту одного из корпусов и соединения стойкой средней части поперечного крыльевого элемента с нижней частью клинообразной наделки, причем поперечный крыльевой элемент отстоит от ближайших точек соединительного моста или клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды, габаритные размеры продольных крыльевых элементов в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, носовые кромки продольных крыльевых элементов расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, а наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов до поверхности соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов в поперечном направлении.
Снабжение соединительного моста катамарана, согласно первому варианту настоящего изобретения, клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, выполнение крыла в виде двух продольных крыльевых элементов с удлинением не более 0,5, соединенных между собой поперечным крыльевым элементом с удлинением не менее 3, и установка его с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента к внутреннему борту одного из корпусов и соединения стойкой средней части поперечного крыльевого элемента с нижней частью клинообразной наделки, когда поперечный крыльевой элемент отстоит от ближайших точек соединительного моста или клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды, габаритные размеры продольных крыльевых элементов в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, носовые кромки продольных крыльевых элементов расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, а наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов до поверхности соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов в поперечном направлении, обеспечивает уменьшение амплитуд килевой, вертикальной и бортовой качки, снижение ударных нагрузок на конструкции и повышение ходовых качеств в условиях волнения, а также повышение комфортабельности.
Поставленная задача решена и декларированный технический результат достигнут, согласно второму варианту настоящего изобретения, 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, отличающийся тем, что его соединительный мост снабжен клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, крыло выполнено в виде двух продольных крыльевых элементов с удлинением не более 0,5, соединенных между собой двумя поперечными крыльевыми элементами с удлинением не менее 3, и установлено с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана, посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента к внутреннему борту одного из корпусов и соединения стойками средних частей поперечных крыльевых элементов с нижней частью клинообразной наделки, причем поперечные крыльевые элементы отстоят от ближайших точек соединительного моста или клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды, габаритные размеры продольных крыльевых элементов в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, носовые кромки продольных крыльевых элементов расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов до поверхности соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов в поперечном направлении, проекции прямолинейных кромок участков продольных крыльевых элементов, расположенных между поперечными крыльевыми элементами, на основную плоскость судна составляют с диаметральной плоскостью угол от 15° до 30°, расстояние между задней кромкой поперечного крыльевого элемента, расположенного носовее, и передней кромкой другого поперечного крыльевого элемента составляет не менее среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов, а поперечный крыльевой элемент, расположенный носовее, установлен выше другого поперечного крыльевого элемента не менее, чем на половину среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов.
Снабжение соединительного моста катамарана, согласно второму варианту настоящего изобретения, клинообразной наделкой, выполненной в носовой части на его нижнем настиле, выполнение крыла в виде двух продольных крыльевых элементов с удлинением не более 0,5, соединенных между собой двумя поперечными крыльевыми элементами с удлинением не менее 3, и размещение его с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента к внутреннему борту одного из корпусов и соединения стойками средних частей поперечных крыльевых элементов с нижней частью клинообразной наделки, когда поперечные крыльевые элементы отстоят от ближайших точек соединительного моста или клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды, габаритные размеры продольных крыльевых элементов в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, носовые кромки продольных крыльевых элементов расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов, наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов до поверхности соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов в поперечном направлении, проекции прямолинейных кромок участков продольных крыльевых элементов, расположенных между поперечными крыльевыми элементами, на основную плоскость судна составляют с диаметральной плоскостью угол от 15° до 30°, расстояние между задней кромкой поперечного крыльевого элемента, расположенного носовее, и передней кромкой другого поперечного крыльевого элемента составляет не менее среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов, а поперечный крыльевой элемент, расположенный носовее, установлен выше другого поперечного крыльевого элемента не менее, чем на половину среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов, также 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, которое выполнено в виде двух продольных крыльевых элементов, соединенных между собой одним поперечным крыльевым элементом (согласно первому варианту изобретения) или двумя поперечными крыльевыми элементами (согласно второму варианту изобретения), расположено выше конструктивной ватерлинии и характеризуется 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, выполненное согласно как первому, так и второму варианту настоящего изобретения, выполняет функцию непосредственной защиты носовой оконечности соединительного моста от ударов о встречные волны, обеспечивающей снижение ударных нагрузок на соединительный мост, что обеспечивается путем создания барьера для ударного воздействия на носовую часть соединительного моста потока взволнованной жидкости, а также за счет формирования скоса потоков, натекающих на соединительный мост при ударе, их завихрения и образования каверн, увеличивающих рассеяние энергии при качке, снижающих ее амплитуды и также уменьшающих ударные нагрузки на мост.
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 в виде двух продольных крыльевых элементов с удлинением не более 0,5, соединенных между собой одним или двумя поперечными крыльевыми элементами с удлинением не менее 3, которое установлено с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента к внутреннему борту одного из корпусов и соединения с нижней частью клинообразной наделки стойкой средней части поперечного крыльевого элемента или двумя стойками средних частей двух поперечных крыльевых элементов.
При этом габаритные размеры продольных крыльевых элементов в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, а их носовые кромки расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов. Наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов до поверхности соединительного моста или клинообразной наделки не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов в поперечном направлении.
Поперечные крыльевые элементы, как в первом, так во втором варианте настоящего изобретения, отстоят от ближайших точек соединительного моста или клинообразной наделки не более, чем на среднюю величину хорды. В плане поперечные крыльевые элементы могут быть прямыми, стреловидными или иметь обратную стреловидность. В поперечной плоскости катамарана поперечные крыльевые элементы могут быть V-образными или трапецеидальными.
При втором варианте настоящего изобретения расстояние между задней кромкой поперечного крыльевого элемента, расположенного носовее, и передней кромкой другого поперечного крыльевого элемента составляет не менее среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов, поперечный крыльевой элемент, расположенный носовее, установлен выше другого поперечного крыльевого элемента не менее, чем на половину среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов, а проекции прямолинейных кромок участков продольных крыльевых элементов, расположенных между поперечными крыльевыми элементами, на основную плоскость судна составляют с диаметральной плоскостью угол от 15° до 30°.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана носовая часть предлагаемого первого варианта катамарана с частичным разрезом по диаметральной плоскости, где 1 - корпус, 2 -соединительный мост, 3 - клинообразная наделка, 4 - продольный крыльевой элемент, 5 - поперечный крыльевой элемент и 6 - стойка.
На фиг. 2 приведен вид снизу фиг. 1.
На фиг. 3 показана носовая часть предлагаемого второго варианта катамарана с частичным разрезом по диаметральной плоскости, где 1 - корпус, 2 -соединительный мост, 3 - клинообразная наделка, 4 - продольный крыльевой элемент, 6 - стойка, 7 - носовой поперечный крыльевой элемент и 8 - кормовой поперечный крыльевой элемент.
На фиг. 4 приведен вид снизу фиг. 3.
В соответствии с первым вариантом настоящего изобретения (см. фиг. 1-2), 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, которое установлено между корпусами 1 под соединительным мостом 2 и клинообразной наделкой 3 носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана.
Крыло выполнено в виде двух продольных крыльевых элементов 4 с удлинением не более 0,5, соединенных между собой поперечным крыльевым элементом 5 с удлинением не менее 3, и установлено с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента 4 к внутреннему борту одного из корпусов 1 и соединения средней части поперечного крыльевого элемента 4 с нижней частью клинообразной наделки 3 стойкой 6, установленной в диаметральной плоскости катамарана.
Поперечный крыльевой элемент 5 отстоит от ближайших точек соединительного моста 2 или клинообразной наделки 3 не более, чем на среднюю величину хорды.
Габаритные размеры продольных крыльевых элементов 4 в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, а носовые кромки продольных крыльевых элементов 4 расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов 1.
Наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов 4 до поверхности соединительного моста 2 или клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов 4 в поперечном направлении.
В соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения (см. фиг. 3-4), 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, которое установлено между корпусами 1 под соединительным мостом 2 и клинообразной наделкой 3 носовее шестого теоретического шпангоута выше конструктивной ватерлинии не менее, чем на четверть вертикального клиренса катамарана.
Крыло выполнено в виде двух продольных крыльевых элементов 4 с удлинением не более 0,5, соединенных между собой носовым и кормовым поперечными крыльевыми элементами 7 и 8 с удлинением не менее 3, и установлено с углом атаки при движении катамарана на тихой воде от 5° до 15° посредством присоединения каждого продольного крыльевого элемента 4 к внутреннему борту одного из корпусов 1 и соединения средних частей носового и кормового поперечных крыльевых элементов 7 и 8 с нижней частью клинообразной наделки 3 стойками 6, установленными в диаметральной плоскости катамарана.
Габаритные размеры продольных крыльевых элементов 4 в поперечном направлении лежат в диапазоне от 15% до 25% горизонтального клиренса катамарана, а носовые кромки продольных крыльевых элементов 4 расположены под острым углом к поверхностям бортов корпусов 1.
Наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов 4 до поверхности соединительного моста 2 или клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольных крыльевых элементов 4 в поперечном направлении.
Проекции прямолинейных кромок участков продольных крыльевых элементов 4, расположенных между носовым и кормовым поперечными крыльевыми элементами 7 и 8, на основную плоскость судна составляют с диаметральной плоскостью угол а, равный от 15° до 30° (см. фиг. 4).
Носовой и кормовой поперечные крыльевые элементы 7 и 8 отстоят от ближайших точек соединительного моста 2 или клинообразной наделки 3 не более, чем на среднюю величину хорды.
Расстояние между задней кромкой носового поперечного крыльевого элемента
7 и передней кромкой кормового поперечного крыльевого элемента 8 составляет не менее среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов. Более близкое расположение носового и кормового поперечных крыльевых элементов 7 и 8 может вызвать чрезмерное увеличение нагрузок на крыло, при котором теряется эффект его применения из-за сопоставимости этих нагрузок с ударными силовыми воздействиями на незащищенный соединительный мост 2.
Носовой поперечный крыльевой элемент 7 установлен выше кормового поперечного крыльевого элемента 8 не менее, чем на половину среднего значения хорды более широкого из этих поперечных крыльевых элементов, благодаря чему повышается способность носового и кормового поперечных крыльевых элементов 7 и 8 к скашиванию потока, увеличивается их гидродинамическое качество, способность стабилизировать качку и повышать ходкость катамарана на волнении.
Продольные крыльевые элементы 4 не выходят за пределы задней кромки кормового поперечного крыльевого элемента 8.
Включение в состав крыла поперечного крыльевого элемента 5 или носового и кормового поперечных крыльевых элементов 7 и 8 с большим удлинением (более 3) позволяет эффективно стабилизировать продольную и бортовую качку, создавая восстанавливающие силы и моменты.
При втором варианте осуществления настоящего изобретения расположение кромок продольных крыльевых элементов 4 так, что проекции их прямолинейных участков, расположенных между носовым и кормовым поперечными крыльевыми элементами 7 и 8, на основную плоскость судна составляют с диаметральной плоскостью угол а от 15° до 30°, а их крайние носовые кромки составляют с поверхностями бортов корпусов 1 острые углы, и ограничение крыла линией, совпадающей с задней кромкой кормового поперечного крыльевого элемента 8, способствуют существенному увеличению демпфирующих сил.
При наличии хода катамарана в результате взаимодействия с крылом поток взволнованной жидкости существенно скашивается, отклоняясь вниз, в результате чего вертикальные скорости частиц жидкости в потоке после обтекания крыла уменьшаются, в особенности вблизи бортов корпусов 1. Следствием такого уменьшения является снижение ударного воздействия взволнованного потока жидкости на носовую оконечность соединительного моста 2 в наиболее нагруженных зонах у бортов корпусов 1, уменьшение перегрузок катамарана и повышение комфортабельности перевозки на нем пассажиров.
Отмеченный скос потока увеличивается при относительно близком расположении элементов крыла к поверхности соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3, при котором наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов 4 до поверхности соединительного моста 2 или его клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратной величины габаритного размера этого элемента в поперечном направлении.
Кроме того, при погружении в воду продольные крыльевые элементы 4 играют роль барьеров, выше которых образуются каверны, защищающие носовые районы соединительного моста 2, подверженные действию наибольших гидродинамических давлений в зонах, примыкающих к бортам корпусов 1, от интенсивных ударных воздействий жидкости.
Крылья целесообразно располагать достаточно высоко от уровня ватерлинии. При низком расположении крыльев ниже четверти вертикального клиренса или ниже конструктивной ватерлинии их защитные свойства резко ослабевают, поскольку непосредственно перед ударом соединительного моста 2 о встречную волну образуемые за крыльями каверны становятся замкнутыми, так как их поверхности смыкаются с поверхностями бортов корпусов 1, а конфигурации (формы) каверн становятся неустойчивыми. Кроме того, большое заглубление крыльев в волну, наблюдаемое при низком их расположении, влечет существенное уменьшение скоса потока жидкости, натекающей на соединительный мост 2 при его ударном взаимодействии с волной.
Наибольшие относительные по отношению к взволнованной поверхности жидкости перемещения соединительного моста 2 и его клинообразной наделки 3 при качке катамарана наблюдаются в носовой оконечности судна носовее шестого теоретического шпангоута. Поэтому крылья целесообразно располагать именно в этом районе катамарана, где действуют наиболее интенсивные ударные нагрузки на соединительный мост 2.
Еще одно преимущество предлагаемого технического решения обусловлено активным гидродинамическим взаимодействием между клинообразной наделкой 3 соединительного моста 2 и продольными крыльевыми элементами 4 при ударном погружении их в волну. Оно наблюдается при относительно близком расположении продольных крыльевых элементов 4 и клинообразной наделки 3, при котором наименьшее расстояние от кромок продольных крыльевых элементов 4 до поверхности соединительного моста 2 или его клинообразной наделки 3 не превышает полуторакратной величины габаритного размера продольного крыльевого элемента 4 в поперечном направлении, и на заключительной стадии погружения клинообразной наделки 3 и продольных крыльевых элементов 4 в волну приводит к образованию вытянутых вдоль катамарана воздушных каверн и крупномасштабных вихрей с центрами, находящимися в этих кавернах. На образование упомянутых вихрей расходуется значительный импульс жидкости, что снижает ту часть импульса жидкости, которая обуславливает ударное воздействие на соединительный мост 2. В итоге снижается действующая на соединительный мост 2 ударная гидродинамическая сила, что позволяет снизить материалоемкость катамарана и повысить его комфортабельность. Смягчению ударного воздействия и максимального значения этой силы способствует также наличие вытянутой каверны, внутри которой происходит продольное перетекание воздуха и его сжатие.
Таким образом, настоящее изобретение 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.