БЫСТРОХОДНОЕ СУДНО НА ВОЗДУШНОЙ КАВЕРНЕ
HIGH-SPEED AIR CAVERN VESSEL

Сокращения, использованные в описании изобретения и прилагаемых рисунках:
БСВК - быстроходное судно на воздушной каверне;
КС - корпус судна;
ДВ - днищевая выемка;
ОС - основная плоскость;
ОЛ - основная линия
ДП - диаметральная плоскость;
СВЛ - статическая ватерлиния;
ХВЛ - ходовая ватерлиния;
ЦВД - цилиндрическая вставка днища;
ИВК - искусственная воздушная каверна;
НВД - носовой водометный движитель;
ЦН - центробежный насос;
КПД - коэффициент полезного действия.
Изобретение относится к судостроению, в частности, к конструкции быстроходных судов на воздушной каверне (БСВК).
Известно БСВК [1], корпус которого снабжен днищевой выемкой (ДВ), ограниченной: спереди - поперечным реданом, а с боков - бортовыми скегами с глиссирующими днищевыми поверхностями, являющимися продолжениями в корму днищевой поверхности носовой оконечности корпуса судна (КС). БСВК оборудовано системой подачи в ДВ сжатого воздуха.
Известно БСВК [2], конфигурация днища которого усовершенствована по сравнению с предыдущим БСВК [1] за счет введения в нее специального расположенного перед ДВ участка, поверхность которого имеет угол расхождения образующих, не превышающий 5°. При этом, указанный участок занимает всю ширину днища между бортовыми скулами и имеет длину 0,01-0,10 длины КС по статической ватерлинии (СВЛ).
Благодаря указанной профилировке днища и подаче в ДВ сжатого воздуха в ней в процессе движения БСВК образуется и устойчиво поддерживается искусственная воздушная каверна (ИВК), изолирующая от контакта с водой значительную часть днища КС. Это позволяет существенно снизить величину сопротивления трения КС о воду и, как следствие, увеличить максимальную скорость его движения на тихой воде на 20-30% [3], [4]. Однако, данное БСВК, по причине высокого риска потери ИВК при движении на волнении, имеет недостаточную мореходность.
Известно БСВК [5], [6], бортовые скеги которого, в отличие от вышеупомянутых БСВК [1], [2], выполнены существенно расширяющимися по мере приближения к вершине ДВ КС. Сама вершина ДВ расположена в носовой части КС. А ширина днища, по скуле, в плоскости шпангоута, проходящего через вершину ДВ, меньше ширины днища, по скуле, в плоскости мидель-шпангоута. Такая форма КС и соответствующая ей конфигурация ДВ позволяют придать носовой оконечности корпуса БСВК более заостренную форму и, при этом, снизить риски, связанные с потерей ИВК при движении БСВК на волнении. Это способствует повышению его мореходности. При этом, существенной потери площади поверхности его днища, занятой ДВ, не происходит, так как она хоть и несколько сужается в носовой части КС, но зато продлевается в сторону носа КС относительно далеко за мидель-шпангоут. Однако, увеличенная кривизна шпангоутов и батоксов КС данного БСВК непосредственно перед ДВ не позволяет получить ИВК максимально возможной длины, а, следовательно, и достигнуть максимально возможного снижения буксировочного сопротивления БСВК.
Известно БСВК [7], [8], с аналогичными предыдущему БСВК [5], [6] обводами корпуса, но с усовершенствованием, выражающимся в том, что килеватое днище его корпуса снабжено расположенной перед ДВ, так называемой, "цилиндрической вставкой днища" (ЦВД), ограниченной со стороны носа и бортов КС линией, эквидистантной, в направлении вдоль КС, срывообразующим кромкам бортовых скегов его днища. При этом, образующие поверхности ЦВД строго параллельны между собой и основой линии (ОЛ) КС, а днищевые ветви шпангоутов, проходящих через ЦВД, слева и справа от нее, выполнены с более интенсивным подъемом к бортовым скулам, чем в пределах ЦВД.
Введение в конструкцию днища корпуса БСВК ЦВД с "подковообразной", как это следует из вышеприведенного описания, формой обеспечивает в процессе движения БСВК образование гладкой, без вредных возмущений, свободной поверхности ИВК, покрывающей собой максимально возможную площадь поверхности днища КС, и при этом, не препятствует максимальному заострению носовой оконечности КС. Благодаря этому достигается дополнительное снижение буксировочного сопротивления БСВК при сохранении его высокой мореходности.
Известны и другие конструктивные решения, направленные на существенное повышение ходкости и мореходности быстроходных судов. К ним относится использование, так называемого, "переднего привода", то есть, размещение гидравлического движителя в носовой части КС. Расположенный в носу гидравлический движитель, отсасывая воду в носовой части КС, способствует снижению силы лобового давления на КС, а отбрасывая ее в корму, способствует появлению силы кормового давления на КС. Благодаря этому "передний привод", в конечном итоге, должен привести к повышению пропульсивного качества судна, как комплекса "корпус-движитель", а также его мореходности.
Первые попытки использования данного эффекта были предприняты еще в начале предыдущего столетия. Так, немецкий исследователь Новка в 1926 году предложил носовой водометный движитель с центробежным насосом (ЦН), имеющим минимальную длину водовода и, следовательно, максимальный коэффициент полезного действия (КПД). Впоследствии, после многочисленных модельных испытаний, проведенных с целью поиска оптимального положения предложенного движителя по длине судна, он установил, что расположение водозаборника носового водометного движителя (НВД) на расстоянии 1/4-1/3 длины от носового перпендикуляра КС обеспечивает ему минимальное волновое сопротивление ([9], стр.: 13, 14 рис. 1.4).
Однако, слишком малый эффект от снижения сопротивления движению судна, полученный на практике при использовании этого изобретения, не обеспечил ему широкого распространения. Причиной неудачи является хорошо известный в настоящее время в аэрогидромеханике "эффект Коанда". Согласно ему реактивная струя, отбрасываемая расположенным в носу гидравлическим движителем, на своем пути в корму буквально "прилипает" к КС. А так как вектор ее скорости, по отношению к вектору скорости движения самого КС, имеет противоположный знак, то это приводит к существенному возрастанию силы трения КС о воду при его движении, что почти полностью сводит на нет ожидаемый положительный эффект от использования этой перспективной идеи.
Если обратиться к конструкции судового водометного движителя на базе ЦН, то интерес представляет еще один водометный движитель с горизонтально расположенным ЦН, запатентованный в США [10]. Конструкция этого гидравлического движителя имеет много общего с предыдущим движителем [9]. Однако, отличается от него более длинной водозаборной трубой с двумя коленами, при прохождении воды через которую возникают существенные потери мощности главного двигателя судна.
Для борьбы с "прилипанием" реактивной струи носового гидравлического движителя к КС у нас в стране и за рубежом был разработан ряд изобретений, позволяющих снизить отрицательное влияние "эффекта Коанда" на эффективность носового гидравлического движителя. Все их объединяет идея использования для снижения величины силы трения реактивной струи носового гидравлического движителя о КС, так называемой "воздушной смазки", когда под днище КС, при его движении, подается воздух и, таким образом, поток воды, обтекающий днище КС насыщается воздухом.
В качестве наиболее простого и наименее эффективного способа достижения этой цели можно привести способ, изложенный в описании изобретения [11], предусматривающего расположение в носу КС тянущего полупогруженного гребного винта, который, в силу своей специфики, засасывает в отбрасываемую им назад под КС реактивную струю атмосферный воздух. Так как данное техническое решение не предусматривает никаких способов удержания этого воздуха под КС, то и эффективность его для снижения величины силы трения реактивной струи носового гидравлического движителя о КС крайне мала.
Ниже приведены два, из ряда известных на сегодня аналогичных изобретений, которые предусматривают не только подачу под днище КС насыщенной воздухом реактивной струи носового гидравлического движителя, но и конструктивные решения для удержания ее под КС.
Так, например, известен высокоскоростной моторный катер [12] с корпусом, содержащим днище комбинированной конструкции. В районе: от носа до миделя, оно выполнено двойным, содержащим расположенные друг над другом внутреннее и наружное днища с воздушной полостью между ними. А в районе от миделя до транца оно выполнено в виде продолжения в корму внутреннего днища носовой части КС и снабжено бортовыми скегами, днищевые поверхности которых являются продолжением в корму наружной поверхности наружного днища носовой части КС, имеющей глиссирующие обводы. Воздушная полость, расположенная между двумя днищами носовой части КС, открыта как со стороны носа, так и со стороны миделя КС, что позволяет встречному потоку воздуха, при движении катера, беспрепятственно поступать под кормовую часть КС, ограниченную по бокам бортовыми скегами. Посредине ширины вышеупомянутой воздушной полости расположен НВД с осевым насосом, кормовой срез сопла которого совмещен с кормовой кромкой наружного днища носовой части КС, выполняющей роль поперечного редана.
В качестве аналогичного отечественного изобретения можно привести быстроходное судно с воздушной смазкой [13], профилированное днище (судя по рисунку, в виде "крыла чайки") корпуса которого снабжено поперечным реданом. В районе поперечного редана смонтированы реактивные насадки, соединенные с ЦН НВД, подающим к ним под напором забортную воду. Воздушная смазка обеспечивается путем подачи под днище КС за редан атмосферного воздуха с помощью специальных воздуховодов, соединяющих их воздухозаборники, расположенные выше ватерлинии в носовой части КС, с их выходными отверстиями, расположенными на поперечном редане. Атмосферный воздух, в процессе движения судна, должен поступать под его днище под давлением скоростного напора и удерживаться под ним благодаря вогнутости ("крыло чайки") его поперечного сечения.
Из описания устройств последних двух быстроходных судов [12], [13] видно, что, как уже указано выше, действие отрицательного влияния присасывающейся к днищу КС струи НВД полностью они не отменяют, но в некоторой степени снижают, так как величина сопротивления трения газовоздушной смеси о днище КС меньше, чем величина сопротивления трения чистой воды. Однако, этого не достаточно, чтобы получить максимальный эффект от использования воздушной прослойки в борьбе с "эффектом Коанда" при эксплуатации БСВК, оборудованного НВД.
В качестве прототипа предлагаемого БСВК принято наиболее эффективное для достижения указанной цели БСВК [14], содержащее КС с бортовыми скулами, в килеватом днище которого выполнена ДВ для образования, в процессе движения БСВК, ИВК, ограниченной: сверху - днищевым сводом, с боков -внутренними стенками бортовых скегов с глиссирующими днищевыми поверхностями, являющимися продолжением днищевой поверхности КС перед ДВ, с кормы - наклоненным в сторону кормы участком днищевого свода, а также средства для подачи в ДВ под избыточным давлением атмосферного воздуха. При этом, бортовые скеги выполнены расширяющимися по мере приближения к вершине ДВ. Сама вершина ДВ расположена в носовой части КС. Днище КС снабжено ЦВД, имеющей в плане форму подковы, охватывающей ДВ со стороны носа и бортов КС, и ограниченной, в свою очередь, с этих же сторон, линией, эквидистантной, в направлении вдоль КС, срывообразующим кромкам бортовых скегов. А днищевые ветви шпангоутов, проходящих через ЦВД КС слева и справа от нее, выполнены с более интенсивным подъемом к бортовым скулам, чем в пределах ЦВД КС. Вершина ДВ снабжена поперечным реданом, перед которым внутри КС в пределах площади ЦВД смонтирован НВД с щелевидным соплом.
При этом, НВД может быть выполнен на основе осевого насоса с водозаборником(ами), расположенным(и) в днище и(или) бортах нижней части носовой оконечности КС ниже его ходовой ватерлинии (ХВЛ), а также с щелевидным соплом, расположенным ниже наружной поверхности днища КС, непосредственно перед поперечным реданом, параллельно его срывообразующей кромке, в пределах ЦВД и занимающим всю ее ширину или, по крайней мере, большую ее часть.
При этом, щелевидное сопло НВД может быть снабжено расположенными между его верхней и нижней внутренними поверхностями, нормально к ним, специальными кинематически связанными между собой и органами управления направлением движения судна поворотными лопатками, фиксируемыми с помощью указанных органов управления вдоль желаемого направления отбрасывания назад реактивной струи НВД БСВК.
Данное изобретение, по сравнению с упомянутыми выше изобретениями [9], [11], [12], [13] действительно позволяет достичь наибольшего результата в повышении пропульсивного качества судна как комплекса "корпус-движитель" при реализации технологии "переднего привода". Конструкция щелевидного сопла НВД данного БСВК обеспечивает образование плоской реактивной струи, отбрасываемой назад в направлении, полностью совпадающим с направлением движения струй обтекающих днище КС набегающей на него воды и, следовательно, не вызывает нежелательных возмущений свободной поверхности ИВК, способных сократить ее длину. Профилировка днища, заложенная в конструкцию корпуса данного БСВК, гарантирует образование при его движении устойчивой ИВК, отделяющей от контакта с водой большую часть днища КС. Таким образом, контакт реактивной струи НВД с днищем КС данного БСВК исключен, что и обеспечивает повышение пропульсивного качества данного БСВК как комплекса "корпус-движитель" за счет успешной реализации технологии "переднего привода".
Успешная реализация технологии "переднего привода" позволяет придать БСВК и некоторые другие преимущества как перед судами с традиционной гидродинамикой, так и перед известными судами на воздушной каверне. Наиболее важными среди них являются: повышение мореходности и повышение маневренности при любой скорости движения БСВК. Повышению мореходности, путем существенного снижения величины вертикальных ускорений, вызываемых продольной качкой, возникающей при движении БСВК на волнении, способствует увеличение продольного момента инерции БСВК за счет разделения массы его силовой установки, составляющей значительную часть его общей массы, на две части, расположенные в оконечностях его корпуса на максимально возможном удалении друг от друга. Этому способствует также интенсивное отсасывание воды расположенным в носу КС НВД, обеспечивающее уменьшение высоты набегающей на КС волны. Повышению маневренности способствует возможность получать поворачивающий судно момент не только за счет изменения направления тяги кормовых движителей, но и за счет соответствующего изменения направления тяги НВД. В этом случае, в принципе, возможен разворот судна на месте.
Однако, использование в качестве НВД БСВК осевого насоса, расположенного в ДП КС, создает некоторые трудности при достижении максимального положительного эффекта от применения технологии "переднего привода". Во-первых, необходимость размещения рабочего колеса НВД над расположенной в ДП КС относительно высокой килевой продольной балкой, называемой "вертикальным килем", являющейся одной из самых главных продольных связей днища, обеспечивающих необходимую прочность КС при его продольном изгибе, обуславливает сравнительно большую высоту подъема воды над ХВЛ при работе НВД. Во-вторых, наличие в конструкции КС вертикального киля обуславливает также необходимость раздвоения выходного патрубка осевого насоса НВД на два сопловых патрубка, расположенных по обе стороны от ДП КС. Все это существенно увеличивает суммарную протяженность водопроточного тракта НВД, ведет к существенному увеличению внутренних энергетических потерь осевого насоса, снижающих КПД НВД и, как следствие, к снижению транспортной эффективности БСВК.
Рассматриваемое изобретение не исключает альтернативный вариант, заключающийся в том, что НВД исполняется в оптимальной, с точки зрения обеспечения его максимального КПД, компоновке, а вертикальный киль в месте расположения НВД с осевым насосом прерывается. Упомянутое выше ослабление конструкции днища КС в этом месте компенсируется введением в нее дополнительных силовых связей слева и справа от НВД. Однако, учитывая то, что в рассматриваемом месте конструкции днища КС и без этого используются усиленные связи, обусловленные концентрацией внутренних напряжений в днище, вызванной уступом на поперечном редане, дополнительное усиление конструкции днища КС будет связано с существенным увеличением массы КС. Это также ведет к снижению транспортной эффективности БСВК.
Целью изобретения является повышение транспортной эффективности БСВК за счет повышения КПД его НВД при минимизации массы его корпуса, имеющего профилировку днища, обеспечивающую образование и устойчивое поддержание под ним в процессе движения БСВК на волнение ИВК.
Поставленная цель достигается тем, что за основу принята известная конструкция БСВК, содержащего корпус с бортовыми скулами, в килеватом днище которого выполнена ДВ для образования, в процессе движения БСВК, под его днищем ИВК, ограниченной: сверху - днищевым сводом; с боков - внутренними стенками бортовых скегов с глиссирующими днищевыми поверхностями, являющимися продолжением днищевой поверхности КС перед ДВ; с кормы - наклоненным в сторону кормы участком днищевого свода, а также средства для подачи в ДВ под избыточным давлением атмосферного воздуха. При этом, бортовые скеги выполнены расширяющимися по мере приближения к вершине ДВ, сама вершина ДВ расположена в носовой части КС, днище КС снабжено также ЦВД, имеющей в плане форму подковы, охватывающей ДВ со стороны носа и бортов КС, и ограниченной, в свою очередь, с этих же сторон, линией, эквидистантной, в направлении вдоль КС, срывообразующим кромкам бортовых скегов, а днищевые ветви шпангоутов, проходящих через ЦВД КС слева и справа от нее, выполнены с более интенсивным подъемом к бортовым скулам, чем в пределах ЦВД КС. При этом, вершина ДВ снабжена поперечным реданом, перед которым внутри КС в пределах площади ЦВД смонтирован НВД судна с щелевидным соплом. Однако, в эту конструкцию внесены существенные изменения.
Указанные существенные изменения заключаются в следующем.
1) ЦВД корпуса предлагаемого БСВК образована двумя симметричными относительно ДП КС плоскими участками днища. НВД выполнен в виде двух, соответствующих им симметричных по своей форме и расположению относительно ДП КС, ЦН с осями вращения их рабочих колес, сориентированными нормально к соответствующему плоскому участку поверхности ЦВД КС. Водозаборники ЦН расположены на днище КС с центром на оси вращения их рабочих колес. А выпускные отверстия щелевидных сопел выходных патрубков ЦН расположены на вертикальной стенке поперечного редана. Они примыкают: снизу - непосредственно к наружной обшивке днища КС с ее внутренней стороны, а с одной из боковых сторон - к стенке вертикального киля КС, и простираются, каждое, на всю соответствующую половину ширины поперечного редана.
2) Щелевидное сопло выходного патрубка каждого ЦН НВД предлагаемого БСВК образовано двумя расположенными последовательно друг за другом участками с плавно изменяющимися, по мере движения вдоль потока, размерами их поперечных сечений: первым, непосредственно примыкающим к спиралевидному корпусу ЦН НВД - с плавным уменьшением, по мере приближения к выпускному отверстию, площади поперечного сечения, и вторым, непосредственно примыкающим к выпускному отверстию сопла - с постоянной площадью поперечного сечения, но с плавным изменением его габаритных размеров, по мере приближения к выпускному отверстию: ширины - в сторону увеличения, а высоты - в сторону уменьшения.
x
3) Поперечное сечение второго участка щелевидного сопла каждого ЦН НВД, на всей своей длине, имеет вид параллелограмма с нижним и верхним основаниями, параллельными плоской наружной поверхности наружной обшивки днища в районе ЦВД КС и боковыми сторонами, параллельными ДП КС. Линия пересечения плоскости внутренней боковой поверхности стенки сопла, противоположной боковой стенке сопла, примыкающей к ДП КС, с плоскостью внутренней поверхности нижней стенки сопла совпадает с вертикальной проекцией на плоскость внутренней поверхности нижней стенки сопла касательной к срывообразующей кромке соответствующего бортового скега днища КС в точке ее притыкания к поперечному редану днища КС. А переменная высота (h) поперечного сечения второго участка щелевидного сопла связана с его отстоянием (х) от выпускного отверстия сопла, с высотой (h) и шириной (b) выпускного отверстия сопла, а также с углом (α) наклона к ДП КС касательной к срывообразующей кромке соответствующего бортового скега, зависимостью:
4) Валы рабочих колес ЦН НВД предлагаемого БСВК соединены между собой конической зубчатой передачей с помощью смонтированных на их верхних концах шестерен, обеспечивающих, в процессе работы НВД, упомянутым рабочим колесам синхронное вращение в противоположных направлениях.
5) Оба ЦН НВД приводятся от одного носового главного двигателя предлагаемого БСВК с помощью конической зубчатой передачи между валом упомянутого главного двигателя и валом рабочего колеса одного из двух упомянутых ЦН.
6) Центробежный вентилятор для нагнетания сжатого воздуха в полость ИВК предлагаемого БСВК также приводится от упомянутого носового главного двигателя с помощью конической зубчатой передачи между валом рабочего колеса центробежного вентилятора и валом рабочего колеса второго из двух упомянутых ЦН НВД.
7) Второй участок щелевидного сопла выходного патрубка каждого ЦН НВД снабжен расположенными между внутренними поверхностями его верхней и нижней стенок, нормально к ним, специальными кинематически связанными между собой и органами управления направлением движения БСВК поворотными лопатками, фиксируемыми с помощью указанных органов управления вдоль желаемого направления отбрасывания назад реактивной струи НВД БСВК. При этом нейтральные положения поворотных лопаток соответствуют расходящимся линиям тока реактивной струи носового водометного движителя, проходящим через оси вращения этих лопаток.
Благодаря введению в конструкцию рассматриваемого БСВК существенных отличительных признаков, приведенных выше в п. 1, достигается возможность сохранения непрерывности расположенного в ДП КС вертикального киля, являющегося важной связью конструкции КС, обеспечивающей его прочность при продольном изгибе, что способствует минимизации массы конструкции КС. Указанная конструктивная схема НВД обеспечивает ему компактность и минимальную протяженность внутреннего водопроточного канала, что способствует снижению его внутренних потерь, а, следовательно, повышению его КПД. Расположение выпускных отверстий щелевидных сопел ЦН НВД в стенке поперечного редана, с одной стороны, на некотором расстоянии от поверхности днищевого свода ДВ, а, с другой стороны, в непосредственной близости от наружной поверхности наружной обшивки носовой части КС, обеспечивает слияние реактивной струи НВД с потоком забортной воды, обтекающей носовую часть КС и обеспечивающей образование ИВК при его движении. Это исключает "присасывание" реактивной струи НВД к днищевому своду ДВ КС предлагаемого БСВК.
Благодаря введению в конструкцию рассматриваемого БСВК существенных отличительных признаков, приведенных выше в п. 2, обеспечивается выполнение щелевидным соплом каждого из двух ЦН НВД БСВК следующих функций, способствующих повышению транспортной эффективности предлагаемого БСВК.
Первый, непосредственно примыкающий к спиралевидному корпусу ЦН НВД участок щелевидного сопла выполняет традиционную функцию любого водометного движителя, заключающуюся в поджатии его реактивной струи с целью увеличении скорости ее истечения. Это способствует повышению силы тяги НВД.
Второй, непосредственно примыкающий к выпускному отверстию, участок щелевидного сопла, благодаря своей форме, выполняет две специфические для рассматриваемого водометного движителя функции.
Первая функция заключается в устранении возмущений, возникающих в реактивной струе ЦН НВД после прохождения ею первого участка щелевидного сопла с непрерывно изменяющейся, по мере приближения к его второму участку, площадью его поперечного сечения. Эта функция аналогична той, которую выполняет ЦВД КС, успокаивающая струи воды после обтекания ими, в процессе движения КС, сложной криволинейной наружной поверхности КС перед ЦВД. Это позволяет без существенных возмущений реактивной струе НВД встроиться в общий невозмущенный поток воды, обтекающей днище КС в процессе его движения и полностью исключить вероятность ее "прилипания" к днищу КС.
Вторая функция заключается в придании реактивной струе каждого ЦН НВД такой динамики, при которой ее ширина, по мере удаления от выпускного отверстия щелевидного сопла, при своем движении в корму КС, увеличивается за счет уменьшения своей толщины и покрывает собой благодаря этому на некотором расстоянии от поперечного редана всю соответствующую половину ширины ДВ для образования ИВК. Это позволяет существенно увеличить длину ИВК, особенно, на малых скоростях движения БСВК.
Благодаря введению в конструкцию рассматриваемого БСВК существенных отличительных признаков, приведенных выше в п. 3, достигается практическое формообразование второго участка щелевидного сопла, обеспечивающее ему выполнение указанных выше функций.
Благодаря введению в конструкцию рассматриваемого БСВК существенных отличительных признаков, приведенных выше в п.п.: 4 и 5, достигаемся синхронность работы обоих ЦН, что объединяет их в единый НВД и обеспечивает его привод от одного носового главного двигателя, что, в свою очередь, обеспечивает компактность носового двигательно-движительного комплекса.
Благодаря введению в конструкцию рассматриваемого БСВК существенных отличительных признаков, приведенных выше в п.п.: 4 и 6, обеспечивается привод от единого носового главного двигателя не только двух синхронизированных между собой ЦН НВД, но и синхронизированного с ними центробежного вентилятора для подачи в ИВК сжатого атмосферного воздуха, что также обеспечивает компактность носового двигательно-движительного комплекса.
Благодаря введению в конструкцию рассматриваемого БСВК существенных отличительных признаков, приведенных выше в п. 7, обеспечивается существенное повышение его маневренности.
Все это в совокупности способствует повышению транспортной эффективности предлагаемого БСВК.
Возможный вариант конструкции предлагаемого БСВК схематично проиллюстрирован рисунками, на которых изображено:
фиг. 1 - виды на корпус БСВК: сбоку, с носа и с кормы;
фиг. 2 - вид на днище корпуса БСВК;
фиг. 3 - разрез А-А (см. фиг. 2);
фиг. 4 - разрез Б-Б (см. фиг. 2);
фиг. 5 - разрез В-В (см. фиг.3);
фиг. 6 - разрез Г-Г (см. фиг. 4);
фиг. 7 - разрез Д-Д (см. фиг. 4);
фиг. 8 - схема построения внутренней полости второго участка щелевидного сопла левого ЦН НВД и профиля реактивной струи ЦН, истекающей из него;
фиг. 9 - графики, иллюстрирующие эффективность применения предлагаемого технического решения для снижения буксировочного сопротивления БСВК на примере быстроходной моторной яхты.
На фиг.: 1-8 использованы следующие обозначения:
1 - КС;
2 - скуловой брызгоотбойник КС 1;
3 - днище КС 1;
4 - днищевой свод ДВ;
5 - внутренняя стенка бортового скега КС 1;
6 - днищевая поверхность бортового скега КС 1;
7 - кормовой наклонный участок днищевого свода 4 ДВ;
8 - ЦВД КС 1;
9 - эквидистанта к срывообразующей кромке 10 бортового скега КС 1;
10 - срывообразующая кромка бортового скега КС 1;
11 - днищевая ветвь шпангоута КС 1;
12 - поперечный редан КС 1;
13 - НВД;
14 - щелевидное сопло НВД 13;
15 - носовой главный двигатель;
16 - центробежный вентилятор;
17 - кормовой главный двигатель;
18 - вентилируемый суперкавитирующий гребной винт;
19 - водовод кормового водометного движителя;
20 - кормовой расширенный участок бортового скега КС 1;
21 - ЦН НВД 13;
22 - рабочее колесо ЦН 21 НВД 13;
23 - водозаборник ЦН 21 НВД 13;
24 - нижняя стенка щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13;
25 - выходной патрубок ЦН 21 НВД 13;
26 - боковая стенка щелевидного сопла 14 ЦН 21, обращенная к ДП КС 1;
27 - стенка вертикального киля КС 1;
28 - выпускное отверстие щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13;
29 - первый участок щелевидного сопла 14, непосредственно примыкающий к спиралевидному корпусу 30 ЦН 21 НВД 13;
30 - спиралевидный корпус ЦН 21 НВД 13;
31 - второй участок щелевидного сопла 14, непосредственно примыкающий к его выпускному отверстию 28;
32 - условная поперечная секущая плоскость, перпендикулярная ДП и плоскости 33 наружной поверхности днища 3 КС 1 в пределах ЦВД 8 КС 1 (см. фиг. 8);
33 - плоскость наружной поверхности днища 3 КС 1 в пределах ЦВД 8 КС 1;
34 - линия пересечения условной поперечной секущей плоскости 32 с плоскостью 35 внутренней поверхности нижней стенки 24 второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
35 - плоскость внутренней поверхности нижней стенки 24 второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
36 - линия пересечения условной поперечной секущей плоскости 32 с внутренней цилиндрической поверхностью 37 верхней стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
37 - внутренняя цилиндрическая поверхность верхней стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
38 - линия пересечения условной поперечной секущей плоскости 32 с плоскостью 39 внутренней поверхности внутренней боковой стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
39 - плоскость внутренней поверхности внутренней боковой стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
40 - линия пересечения условной поперечной секущей плоскости 32 с плоскостью 41 внутренней поверхности внешней боковой стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
41 - плоскость внутренней поверхности внешней боковой стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
42 - линия пересечения между собой плоскостей внутренних поверхностей внешней боковой 41 и нижней 35 стенок второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
43 - касательная к срывообразующей кромке 10 бортового скега днища 3 КС 1 в точке ее притыкания к поперечному редану 12 КС 1 (см. фиг. 2);;
44 - вертикальная проекция касательной 43 к срывообразующей кромке 10 бортового скега днища 3 КС 1 в точке ее притыкания к поперечному редану 12 КС 1 на плоскость 35 внутренней поверхности нижней стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
45 - вертикальная проекция линии срывообразующей кромки 10 бортового скега днища 3 КС 1 на плоскость 35 внутренней поверхности нижней стенки второго участка 31 щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 8);
46 - вал рабочего колеса 22 ЦН 21 НВД 13;
47 - шестерня конической зубчатой передачи между валами 46 рабочих колес ЦН 21 НВД 13;
48 - вал носового главного двигателя 15;
49 - коническая зубчатая передача между валом 48 носового главного двигателя 15 и валом 46 рабочего колеса 22 ЦН 21 НВД 13;
50 - воздухоприемный трубопровод центробежного вентилятора 16;
51 - воздухонагнетательный трубопровод центробежного вентилятора 16;
52 - коническая зубчатая передача между валом 53 рабочего колеса 54 центробежного вентилятора 16 и валом 46 рабочего колеса 22 второго из двух упомянутых ЦН 21 НВД 13;
53 - вал рабочего колеса 54 центробежного вентилятора 16;
54 - рабочее колесо центробежного вентилятора 16;
55 - поворотная лопатка щелевидного сопла 14 ЦН 21 НВД 13 (см. фиг. 5);
56 - линия тока реактивной струи ЦН 21 НВЛ 13 (см. фиг.: 5, 8).
Предлагаемое БСВК (см. фиг.: 1, 2), содержит КС 1 с бортовыми скуловыми брызгоотбойниками 2, в килеватом днище 3 которого выполнена ДВ, ограниченная: сверху - днищевым сводом 4; с боков - внутренними стенками 5 бортовых скегов с глиссирующими днищевыми поверхностями 6, являющимися продолжением днищевой поверхности 3 КС 1 перед ДВ; с кормы - наклоненным в сторону кормы участком 7 днищевого свода 4, а также средства для подачи в ДВ под избыточным давлением атмосферного воздуха. Бортовые скеги выполнены расширяющимися по мере приближения к вершине ДВ. Сама вершина ДВ расположена в носовой части КС 1. Днище 3 КС 1 снабжено также, двумя симметричными плоскими участками, образующими ЦВД 8, имеющую в плане форму подковы, охватывающей ДВ со стороны носа и бортов КС 1, и ограниченной, в свою очередь, с этих же сторон, линией 9, эквидистантной, в направлении вдоль КС 1, срывообразующим кромкам 10 бортовых скегов. Днищевые ветви 11 шпангоутов, проходящих через ЦВД 8 слева и справа от нее, выполнены с более интенсивным подъемом к бортовым скулам 2 КС 1, чем в пределах ЦВД 8. Вершина ДВ снабжена поперечным реданом 12, перед которым внутри КС 1 в пределах площади ЦВД 8 смонтирован НВД 13 судна с щелевидным соплом 14 и с приводом от носового главного двигателя 15. Там же установлен и центробежный вентилятор 16 с приводом от того же носового главного двигателя 15 для подачи в ДВ сжатого атмосферного воздуха.
Носовой главный двигатель 15 может быть единственным главным двигателем предлагаемого БСВК, а НВД 13 - его единственным движителем. В то же время, не исключается применение указанного носового двигательно-движительного комплекса и в качестве дополнительного к традиционному кормовому двигательно-движительному комплексу, содержащему, например, два кормовых главных двигателя 17, приводящих каждый, например, вентилируемый водометный движитель с суперкавитирующим гребным винтом 18, расположенным в специальном водоводе 19, выполненном внутри кормовой части КС 1 в пределах кормового расширенного участка 20 соответствующего бортового скулового брызгоотбойника 2
НВД 13 выполнен (см. фиг.: 3-7) в виде двух симметричных по своей форме и расположению относительно ДП КС 1 ЦН 21 с осями вращения их рабочих колес 22, сориентированными нормально к соответствующему плоскому участку поверхности ЦВД 8 КС 1. Водозаборники 23 ЦН 21 расположены на днище 3 КС 1 с центром на оси вращения их рабочих колес 22. Нижние стенки 24 щелевидных сопел 14 выходных патрубков 25 ЦН 21 НВД 13 выполнены параллельными наружной поверхности наружной обшивки днища 3 КС 1 в районе ЦВД 8 КС 1 и непосредственно примыкают к ее внутренней поверхности, а боковые стенки 26 щелевидных сопел 14, обращенные к ДП КС 1 выполнены параллельными ДП КС 1 и непосредственно примыкают к стенке 27 вертикального киля КС 1. Выпускные отверстия 28 щелевидных сопел 14 выходных патрубков 25 ЦН 21 НВД 13 расположены на вертикальной стенке поперечного редана 12 и простираются, каждое, на всю соответствующую половину ширины поперечного редана 12.
1
2
Щелевидное сопло 14 выходного патрубка 25 каждого ЦН 21 НВД 13 предлагаемого БСВК образовано двумя расположенными последовательно друг за другом участками с плавно изменяющимися, по мере движения вдоль потока, размерами их поперечных сечений: первым участком 29 (длиной λ, см. фиг.: 5-7), непосредственно примыкающим к спиралевидному корпусу 30 ЦН 21 - с плавным уменьшением, по мере приближения к выпускному отверстию 28, площади поперечного сечения, и вторым участком 31 (длиной λ, см. фиг.: 5-7), непосредственно примыкающим к выпускному отверстию 28 - с постоянной площадью поперечного сечения, но с плавным изменением его габаритных размеров, по мере приближения к выпускному отверстию 28: ширины - в сторону увеличения, а высоты - в сторону уменьшения.
Поперечное сечение второго участка 31 щелевидного сопла 14 каждого ЦН 21 НВД 13, непосредственно примыкающего к его выпускному отверстию 28, имеет вид параллелограмма (см. фиг. 8), ограниченного со всех сторон линиями пересечения условной поперечной секущей плоскости 32, перпендикулярной ДП и плоскости 33 наружной поверхности днища КС в пределах ЦВД, с внутренними поверхностями второго участка 31 щелевидного сопла. Нижним основанием рассматриваемого параллелограмма является линия 34 пересечения упомянутой секущей плоскости 32 с плоскостью 35 внутренней поверхности нижней стенки сопла; верхним основанием - линия 36 пересечения ее с внутренней цилиндрической поверхностью 37 верхней стенки сопла; внутренней боковой стороной - линия 38 пересечения ее с плоскостью 39 внутренней поверхности внутренней боковой стенки сопла; а внешней боковой стороной - линия 40 пересечения ее с плоскостью 41 внутренней поверхности внешней боковой стенки сопла. При этом, основания 34 и 36 рассматриваемого параллелограмма параллельны плоскости 33 наружной поверхности наружной обшивки днища КС в районе ЦВД, а его боковые стороны 38 и 40 параллельны ДП КС.
Линия 42 пересечения между собой плоскостей внутренних поверхностей внешней боковой 41 и нижней 35 стенок щелевидного сопла между собой совпадает с вертикальной проекцией 44 на плоскость 35 внутренней поверхности нижней стенки щелевидного сопла касательной 43 к срывообразующей кромке 10 (см. фиг. 2) соответствующего бортового скега днища 3 КС 1 в точке ее притыкания к поперечному редану 12 днища 3 КС 1.
x
x
Если ширину и высоту второго участка 31 щелевидного сопла 14 каждого ЦН 21 НВД 13 предлагаемого БСВК на его срезе, то есть, в плоскости его выпускного отверстия 28, принять равными: b и h, соответственно, то, с учетом изложенного, ширина (b) и высота (h) переменного поперечного сечения второго участка 31 щелевидного сопла 14 в зависимости от его отстояния (х) от выпускного отверстия 28 могут быть определены в соответствии с выражениями (см. фиг. 8):
2
При этом, соответствующие размеры поперечного сечения щелевидного сопла 14 каждого ЦН 21 НВД 13 в начале его второго участка 31, имеющего длину λ, то есть на границе с его первым участком 29, могут быть определены в соответствии с выражениями (см. фиг. 8):
Величины параметров профилировки второго участка 31 щелевидного сопла 14 каждого ЦН 21 НВД 13, определяемые выражениями: (1) и (2), следует рассматривать как рекомендуемый идеальный конечный результат. Некоторые возможные в процессе изготовления НВД 13 отклонения указанных величин от рекомендуемых не уменьшают существенно полезный положительный эффект от использования заявленной профилировки щелевидного сопла 14.
Валы 46 (см. фиг.: 3, 4, 5) рабочих колес 22 ЦН 21 НВД 13 предлагаемого БСВК соединены между собой конической зубчатой передачей с помощью смонтированных на их верхних концах шестерен 47, обеспечивающих, в процессе работы НВД, упомянутым рабочим колесам 22 синхронное вращение в противоположных направлениях.
Оба ЦН 21 НВД 13 (см. фиг.: 3, 4, 6) приводятся от одного носового главного двигателя 15 предлагаемого БСВК с помощью конической зубчатой передачи 49 между валом 48 упомянутого главного двигателя 15 и валом 46 рабочего колеса 22 одного из двух упомянутых ЦН 21.
Центробежный вентилятор 16 (см. фиг.: 3, 4, 7) для нагнетания сжатого воздуха в полость ИВК предлагаемого БСВК с воздухоприемным 50 и воздухонагнетательным 51 трубопроводами также приводится от упомянутого носового главного двигателя 15 с помощью конической зубчатой передачи 52 между валом 53 рабочего колеса 54 центробежного вентилятора 16 и валом 46 рабочего колеса 22 второго из двух упомянутых ЦН 21 НВД 13.
Второй участок 31 щелевидного сопла 14 выходного патрубка 25 каждого ЦН 21 НВД 13 снабжен расположенными между внутренними поверхностями его верхней и нижней стенок, нормально к ним, специальными кинематически связанными между собой и органами управления направлением движения БСВК поворотными лопатками 55 (см. фиг.: 5-7), фиксируемыми с помощью указанных органов управления вдоль желаемого направления отбрасывания назад реактивной струи НВД 13 БСВК. При этом, нейтральные положения поворотных лопаток 55 соответствуют расходящимся линиям тока 56 реактивной струи НВД 13, проходящим через оси вращения этих лопаток 55 (см. фиг. 5).
При соответствующем выборе параметров профилировки днища корпуса БСВК, основанном на аналитических расчетах и модельных испытаниях его корпуса в опытовом бассейне, при движении с расчетной скоростью под его днищем в пределах ДВ образуется ИВК, изолирующая большую часть подводной поверхности КС от контакта с водой. За счет этого достигается существенное снижение общего сопротивления движению БСВК в воде. Следует отметить при этом, что степень этого снижения находится в пропорциональной зависимости от длины образуемой ИВК, которая, в свою очередь, находится в пропорциональной зависимости от скорости движения БСВК. Следствием этого является возникновение, так называемого, "горба сопротивления" на разгонном участке кривой буксировочного сопротивления БСВК, когда скорость движения БСВК и соответствующая ей длина ИВК еще не достигли своих расчетных величин. Применение НВД предлагаемой конструкции позволяет устранить этот недостаток известных БСВК и в еще большей степени повысить их транспортную эффективность.
Если учесть, что скорость реактивной струи НВД на любом этапе движения БСВК зависит, в основном, от мощности, развиваемой носовым главным двигателем БСВК и мало зависит от скорости движения самого БСВК, а также то, что мощная реактивная струя НВД, имеющая скорость истечения в несколько раз большую, чем скорость движения самого БСВК, после выхода из щелевидного сопла сливается с потоком воды, обтекающей КС и образующей под его днищем ИВК, то появляется возможность существенно увеличить скорость движения обтекающей днище КС воды на начальном этапе его движения, когда собственная скорость его движения еще не достаточна для образования полноценной ИВК. Но для этого необходимо, чтобы реактивная струя НВД не создавала каких-либо возмущений обтекающего днище КС потока забортной воды и покрывала собою всю ширину ДВ на некотором протяжении ее длины за поперечным реданом.
Изображенная на схеме (см. фиг. 8) конфигурация внутренней полости второго участка щелевидного сопла способствует образованию внутри реактивной струи каждого ЦН НВД таких линий тока 56, при которых эта струя с постоянной площадью поперечного сечения, по мере приближения к выпускному отверстию 28 сопла, постепенно становится шире, но тоньше. Так как после выхода из сопла реактивная струя ЦН НВД попадает в полость ИВК, то есть, в газовую среду с меньшей на несколько порядков плотностью, то, под действием сил инерции, направления этих линий тока внутри реактивной струи сохраняются. Благодаря этому характер изменения формы поперечного сечения реактивной струи, по мере его удаления от выпускного отверстия сопла в корму КС, может быть описан с помощью выражений: (5) и (6), полученных из выражений: (1) и (2) за счет изменения знака величины х на обратный (см. фиг. 8):
x
За счет постепенного увеличения своей ширины b в соответствии с выражением (5) реактивная струя НВД на всем отрезке длины ИВК, на котором оказывает существенное динамическое влияние на обтекающий днище КС поток воды, покрывает собой всю ширину ИВК. Однако, при этом одновременно происходит и снижение ее толщины в соответствии с гиперболической зависимостью (6). Это ограничивает длину, на которой кинетическая энергия реактивной струи НВД оказывает достаточно существенное влияние на увеличение средней скорости движения всего потока воды, обтекающей днище КС в пределах ДВ при его движении в процессе разгона БСВК. Тем не менее, этого вполне достаточно, чтобы ликвидировать или существенно снизить величину упомянутого выше "горба сопротивления" на разгонном участке кривой буксировочного сопротивления БСВК, что способствует существенному повышению транспортной эффективности предлагаемого БСВК.
е
На фиг. 9 изображены графики изменения потребной мощности (Р) в интервале интересуемых скоростей движения (V) моторной яхты водоизмещением 25 т с главными двигателями суммарной мощностью около 1000 л.с.в трех ее модификациях (кривые: 1-3), а также графики изменения относительной величины снижения буксировочного сопротивления (ΔR) в интервале интересуемых скоростей движения (V) указанных выше модификаций яхты, оборудованных ДВ и системами создания в них ИВК, по сравнению с аналогичной яхтой с корпусом без ДВ и без ИВК, где:
1 - кривая буксировочной мощности яхты с ИВК и движителями, расположенными в корме КС [4];
2 - кривая буксировочной мощности аналогичной яхты с корпусом без ДВ, без ИВК и движителями, также расположенными в корме КС [4];
3 - кривая буксировочной мощности яхты с ИВК и движителями, расположенными частично в корме КС, и частично в носовой части КС перед поперечным реданом (прогнозируемая).
4 - кривая, относящаяся к яхте с ИВК и движителями, расположенными исключительно в корме КС [4];
5 - кривая, относящаяся к яхте с ИВК и движителями, расположенными частично в корме КС, и частично в носовой части КС (прогнозируемая).
Заштрихованная область (см. фиг. 9) показывает, на сколько относительная величина снижения буксировочного сопротивления яхты с ИВК и движителями, расположенными частично в корме КС и частично в носовой части перед ДВ КС, по сравнению с буксировочным сопротивлением аналогичной яхты с корпусом без ДВ и без ИВК (кривая 5), больше по сравнению с аналогичным показателем яхты с ИВК и движителями, расположенными исключительно в корме КС (кривая 4).
Использованные источники:
1. Авт. св. СССР №368107. Глиссирующее судно. МПК: В63В 1/18; В63В 1/38. Опубл.: 26.01.1973, БИ №9.
2. Патент России №2047534. Корпус быстроходного судна. МПК В63В 1/38. Опубл.: 10.11.1995, БИ №31.
3. А.А. Бутузов, Ю.Н. Горбачев, А.Н. Иванов, В.Г. Калюжный, А.Н. Павленко. Снижение сопротивления движению судов за счет искусственных каверн. - "Судостроение", №11, 1990, стр.: 3-6.
4. А. Сверчков. Судно на каверне или катамаран на воздушной подушке? - "Катера и яхты", №1(179), 2002, стр.: 46-50.
5. Патент России №2041116. Быстроходное судно. МПК В63В 1/38. Опубл.: 09.08.1995, БИ №22.
6. Международная заявка №WO 95/07210. High-speed Boat. МПК В63В 1/38. Опубл.: 16.03.1995.
7. Патент России №2153998. Корпус быстроходного судна. МПК В63В 1/38. Опубл.: 10.08.2000, БИ №22.
8. Патент Украины №33974. Корпус швидкохщного судна. МПК В63В 1/38. Опубл.: 15.02.2001, БИ №1.
9. С.В. Куликов, М.Ф. Храмкин. Водометные движители (теория и расчет). - Л., Судостроение, 1980.
10. Патент США №3889623. Jet Propulsion Unit for Boats. МПК: B63H 11/04. Опубл.: 17.06.1975.
11. Патент России №2402452. Водное транспортное средство. МПК: В63В 1/38; В63Н 5/125; В63Н 1/14. Опубл.: 10.11.2009. БИ №31.
12. Патент США №3382833. High-speed Motorboat Hull. НПК: 114-66.5. Опубл.: 14.05.1968.
13. Авт. св. СССР №318501. Судно с воздушной смазкой днища. МПК: В63В 1/38. Опубл. 28.10.1971. БИ №32.
14. Патент России №2610754. Быстроходное судно. МПК: В63В 1/34; В63В 1/38; В63Н 5/00; В63Н 11/00; D63H 20/04. Опубл.: 15.02.2017. БИ №5 (прототип).