надводное однокорпусное водоизмещающее быстроходное судно

Формула изобретения

Надводное однокорпусное водоизмещающее быстроходное судно, содержащее вытянутый вдоль своей диаметральной плоскости корпус с плавными криволинейными обводами подводной части, прямолинейные у форштевня носовые ватерлинии в районе конструктивной ватерлинии по высоте, носовой бульб, успокоитель бортовой качки с двумя управляемыми рулями, расположенными побортно, скуловые кили и вертикальную килевую наделку в кормовой оконечности, отличающееся тем, что подводная часть корпуса судна имеет наибольшую ширину по конструктивной ватерлинии B в кормовой оконечности, при этом соотношение площадей кормовой S_к и носовой S_н частей конструктивной ватерлинии судна S_к/S_н относительно линии, проходящей через середину ее длины, составляет 2 - 3, а форма каждой из двух симметричных относительно диаметральной плоскости половин конструктивной ватерлинии имеет четыре характерных участка, первый из которых от форштевня до точки сопряжения со вторым участком является отрезком прямой линии, расположенным относительно диаметральной плоскости под углом , второй участок представляет собой дугу окружности радиуса



где L - длина судна по конструктивной ватерлинии;

= L/B;

k = 1,04-0,10(-4,0) при 4,409,0 и k = 1,0 при 2,04,40,

которая простирается до точки, удаленной от плоскости нулевого теоретического шпангоута на расстояние kL и от диаметральной плоскости судна на B/2, и центр этой окружности расположен на перпендикуляре, проведенном из этой точки к линии диаметральной плоскости судна, третий участок конструктивной ватерлинии является отрезком прямой, параллельной линии диаметральной плоскости, отсчитываемым от конечной точки второго участка до линии пересечении плоскостей конструктивной ватерлинии и 20-го теоретического шпангоута, а четвертый участок конструктивной ватерлинии является отрезком этой линии от третьего участка конструктивной ватерлинии до диаметральной плоскости судна, наибольшая осадка судна находится в районе носовой оконечности в пределах отрезка, отсчитываемого от пересечения линии форштевня с нижней кромкой бульбы до точки с координатами (0,125L, OT), при этом линия диаметральной плоскости судна в днищевой части, проведенная через точки притыкания продолжений линий шпангоутов к диаметральной плоскости с координатами по длине судна L и осадке T (0,125L; OT), (0,375L; 0,125T), (0,625L; 0,500T), (0,875L; 0,875T), (IL; IT), представляет собой S-образную кривую от первой точки до последней, а между предпоследней и последней точками - отрезок прямой линии, носовые шпангоуты в районе бульба имеют форму, определяемую условиями S_б0,4_max, и t_б / b_б 0,80, где S_б - площадь поперечного сечения носового бульба в его наиболее полной части, _max - площадь погруженной по конструктивную ватерлинию части наиболее полного шпангоута, t_б - наибольшая высота бульба, b_б - наибольшая ширина бульба, причем форма 20-го теоретического шпангоута представляет собой в средней по ширине части в интервале 0,4875B дугу окружности радиуса r₂₀, равного ширине судна B, центр которой лежит в диаметральной плоскости ниже плоскости конструктивной ватерлинии, а верхняя точка окружности в диаметральной плоскости касается плоскости конструктивной ватерлинии, а внешние участки этого шпангоута в интервалах ширины судна от 0,4875B до 0,500B имеют форму плавных кривых, сопрягаемых с линией 20-го теоретического шпангоута в надводной части судна, причем вертикальная килевая наделка судна имеет подъем своей килевой линии в сторону кормовой оконечности со значением тангенса угла ее наклона , не превышающим 0,015, при этом судно снабжено носовым крылом площадью не более 2% площади конструктивной ватерлинии, состоящим из двух симметрично расположенных побортно горизонтальных консолей, каждая из которых имеет удлинение меньше 1 и сужение, не превышающее 2, консоли в сечении имеют симметричный авиационный профиль с толщиной у корня не более 0,15 хорды и у конца консоли - не более 0,10 хорды, наибольшие толщины профиля расположены на линии 1/4 хорд по размаху, перпендикулярной к диаметральной плоскости, а положение консолей по отношению к корпусу судна определяется по его длине отстоянием передней кромки у корня консоли от носового перпендикуляра судна не далее чем 0,125 длины судна и возвышением их плоскости над нижней кромкой бульба, равным 1/2 высоты бульба.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения и касается вопросов снижения сопротивления воды движению на полных скоростях хода и интенсивности качки на взволнованном море однокорпусных судов, создаваемых для достижения относительных скоростей полного хода в диапазоне чисел Фруда



где v - скорость судна, L - длина судна, g - ускорение свободного падения, которые в соответствии с принятой в судостроении терминологией относятся к классу быстроходных водоизмещающих судов.

Известными техническими путями решения этих вопросов являются:

- всемерное увеличение удлиненности с приданием максимальной плавности обводов корпуса для снижения сопротивления движению на полных ходах;

- проектный выбор определенного значения начальной поперечной метацентрической высоты совместно с применением успокоителей бортовой качки различных принципов действия и скуловых килей для снижения интенсивности бортовой качки (см. Я. И. Войткунский и др. Справочник по теории корабля. - Л.: Судостроение, 1966).

В тоже время, для снижения интенсивности продольной качки судов рассматриваемого типа не разработано никаких специальных мер, дающих заметный эффект, хотя она является основной причиной, снижающей скорость хода судна, работоспособность личного состава, безопасность пребывания судна на взволнованном море.

Недостатками описанных выше путей улучшения ходкости и мореходности судов рассматриваемого типа и самих этих судов, построенных с использованием упомянутых технических путей, являются:

- возрастание в 2,5 - 3,0 раза остаточного (волнового и формы) со противления воды движению при изменении проектной относительной скорости полного хода от 0,35 до 0,50 значений числа Фруда, когда оно достигает 55-65% полного сопротивления судна, даже при очень значительной удлиненности корпуса;

- с ростом удлиненности корпуса линейно возрастают вертикальные перемещения, скорости, ускорения, заливаемость, забрызгиваемость, ударные нагрузки на его надводную и подводную части (слеминг), затрудняется обеспечение поперечной остойчивости, общей продольной прочности;

- практическая невозможность умерения продольной качки, в том числе и на самом опасном для судна - встречном волнении, из-за большой продольной остойчивости и весьма высокого соотношения площадей носовой и кормовой половин конструктивной ватерлинии (КВЛ), от которого напрямую зависит дифферентующий момент от проходящей вдоль судна волны. Большая величина этого момента и предопределяет неэффективность применения устройств умерения продольной качки и, в частности, носового крыла, которое иногда размещается на судах с малой площадью ватерлинии (СМПВ) и быстроходных катамаранах.

К типичным представителям класса быстроходных водоизмещающих однокорпусных судов относятся прежде всего боевые корабли подклассов корвет, фрегат, эскадренный миноносец (водоизмещением от 1000 т до ок. 8000 т, со скоростями хода от 25 до 45 уз.), а также гражданские пассажирские суда - паромы и лайнеры, скоростные контейнеровозы и др.

В качестве типового представителя класса быстроходных водоизмещающих судов и судна прототипа традиционного классического типа выбран известный российский эскадренный миноносец типа "Современный" (см. Научно-популярный сборник статей по истории флота и судостроения, "Гангут", Приложение, вып.3, 1993), нормальным объемным водоизмещением 6000 м³, скорость полного хода которого по числу Фруда составляет 0,45 - 0,50.

Для уменьшения сопротивления воды его движению подводная часть этого судна имеет удлиненную, с плавными по всей длине обводов форму, характеризуемую следующими значениями основных параметров:













где l - относительная длина; l_б - показатель длительности судна; - коэффициент продольной полноты; r_б - показатель средней продольной кривизны поверхности корпуса; B - ширина судна, V - водоизмещение; T - осадка; _max - площадь погруженной части наиболее полного по длине судна шпангоута; S - площадь КВЛ; - смоченная поверхность корпуса судна.

КВЛ судна характеризуется углом входа наличием прямолинейного участка от форштевня к корме протяженностью 0,15 L, соотношением площадей кормовой (S_к) и носовой (S_н) частей (относительно поперечной линии при 0,5 L) 1,45, наибольшей шириной в районе 0,55 - 0,60 L и шириной в районе кормовой оконечности 0,75 В. Форма диаметральной плоскости (ДП) надводной части корпуса по точкам притыкания продолжений линий теоретических шпангоутов к ДП характеризуется линией с участками контура форштевня, контура носового бульба (выступающего ниже уровня горизонтального киля на 0,4 Т на миделе), горизонтальным участком от точки окончания бульба до начала кормового подзора в районе 0,7 L, участком контура кормового подзора, поднимающимся к плоскости КВЛ до уровня 0,8 Т в районе кормовой оконечности. Для снижения интенсивности бортовой качки корабль оборудован успокоителем качки с одной парой управляемых крыльев - рулей, общей площадью 0,75% S расположенных по длине в районе 0,5 L и скуловыми килями, общей площадью 6% S, a для снижения продольной качки на корабле никаких мероприятий не предусмотрено. По сравнению с описанной формой и конструкцией эсминца "Современный", большинство построенных в мире судов рассматриваемого класса скоростных режимов имеют индивидуальные отличия по параметрам формы подводной части корпуса в пределах 15%.

Однако судно обладает теми недостатками, что при увеличении относительной скорости хода по числам Фруда выше 0,25 существенно возрастает его сопротивление формы и волновое сопротивление, а поэтому - и его полное сопротивление.

Кроме того, вследствие того что традиционная форма корпуса указанного судна предопределяет высокое значение дифферентующего момента при прохождении волны вдоль корпуса судна, то применение на нем каких-либо из известных успокоителей продольной качки неэффективно, из-за чего интенсивность этой качки на взволнованном море у него весьма велика.

Задачей изобретения является разработка формы корпуса судна и технических мероприятий, которые позволили бы одновременно добиться значительного снижения сопротивления воды движению судна в диапазоне F_r = 0,35 - 0,60 и уменьшения интенсивности продольной качки.

Для этого у надводного однокорпусного быстроходного судна, содержащего вытянутый вдоль своей ДП корпус с плавными криволинейными обводами подводной части, прямолинейные у форштевня носовые ватерлинии в районе конструктивной ватерлинии по высоте, носовой бульб, успокоители бортовой качки с двумя управляемыми рулями, расположенными побортно, скуловые кили и вертикальную килевую наделку в кормовой оконечности, подводная часть корпуса судна имеет наибольшую ширину корпуса В по КВЛ в кормовой оконечности, при этом соотношение площадей кормовой S_к и носовой S_н частей КВЛ судна относительно линии, проходящей через середину ее длины, Форма КВЛ имеет четыре характерных участка: первый - от форштевня до точки сопряжения со вторым участком является отрезком прямой с углом входа ; второй участок представляет собой дугу окружности радиуса r, определяемого выражением



где k = 1,04-0,10(-4,0) при 4,40 9,0 и k = 1,0 при 2,0 4,40, которая простирается до точки, удаленной от плоскости 0-го теоретического шпангоута на расстояние kL и от ДП судна - на B/2, и центр этой окружности расположен на перпендикуляре, проведенном из этой точки к линии ДП судна, третий же участок КВЛ является отрезком прямой, параллельной линии ДП, отсчитываемым от этой же точки до линии пересечения плоскостей КВЛ и 20-го теоретического шпангоута, а четвертый участок КВЛ является отрезком этой линии от третьего участка КВЛ до ДП судна. Наибольшая осадка судна находится при этом в носовой оконечности в пределах отрезка от пересечения линии форштевня с нижней кромкой бульба до точки с координатами (0,125L; 0Т). При этом линия ДП судна в днищевой части, проведенная через точки притыкания продолжений линий шпангоутов к ДП с координатами по длине судна L и осадке Т (0,125L; 0Т), (0,375L; 0,125Т), (0,625L; 0,500Т), (0,875L; 0,875Т) и (1L; 1T) представляет собой плавную S-образную кривую от первой точки до предпоследней, а между предпоследней и последней точками - отрезок прямой линии. Носовые шпангоуты в районе бульба имеют форму, определяемую условиями S_б 0,4_max и t_б/b_б 0,80, где S_б - площадь поперечного сечения носового бульба в его наиболее полной части, t_б - наибольшая высота бульба, b_б - наибольшая ширина бульба. Форма 20-го теоретического шпангоута представляет собой в средней по ширине части в интервале 0,4875 В дугу окружности радиуса r₂₀, равного ширине судна B, центр которой лежит в ДП ниже плоскости КВЛ, а верхняя точка окружности в ДП касается плоскости КВЛ, а внешние участки этого шпангоута в интервале ширины судна от 0,4875 до 0,500 В имеют форму плавных кривых, сопрягаемых с линией 20-го теоретического шпангоута в надводной части судна. Вертикальная килевая наделка судна имеет подъем своей килевой линии в сторону кормовой оконечности со значением тангенса ее наклона ^o, не превышающим величины 0,015. При этом судно снабжено носовым крылом площадью не более 2% площади КВЛ, состоящим из двух симметрично расположенных побортно горизонтальных консолей, каждая из которых имеет удлинение меньше 1 и сужение не превышающее 2-х; консоли в сечении имеют симметричный авиационный профиль с толщиной у корня не более 0,15 хорды и у конца консоли - не более 0,10 хорды; наибольшие толщины профиля расположены по линии 1/4 хорд по размаху, перпендикулярной к ДП. Положение консолей по отношению к корпусу судна определяется отстоянием передней кромки у корня консоли от носового перпендикуляра судна не далее 0,125 L судна и возвышением их плоскости над нижней кромкой бульба, равным 1/2 высоты бульба.

Придание судну уменьшенной ширины в средней части, компенсируемое для обеспечения поперечной остойчивости увеличением ширины в кормовой части при условии соблюдения отношения площадей и получения минимально возможной протяженности прямолинейного участка КВЛ в носовой части судна, начиная от форштевня, позволяет обеспечить судну удлиненность



что по сравнению с прототипом в 1,1 раза больше.

Кроме того, обеспечивается в 1,15 уменьшенная, по сравнению с прототипом, продольная кривизна поверхности корпуса вдоль линий тока, в 2 раза меньший угол ^o входа КВЛ и других ватерлиний выше носового бульба, минимальные углы подхода батоксов к кормовой оконечности (в частности, с подходом линии ДП непосредственно к плоскости КВЛ). Эти особенности формы позволяют при высоких числах Фруда F_r= 0,35-0,50 резко снизить перепад давления вдоль всего корпуса в целом, локальные градиенты давлений, а следовательно, снизить волновое сопротивление и сопротивление формы движению судна (остаточное сопротивление).

При этом также обеспечивается уменьшенная в 1,5-2,0 раза относительная площадь носового участка S_н КВЛ по сравнению с кормовой S_к, что уменьшает величину дополнительной силы плавучести и ее продольного момента от гребня волны, проходящей вдоль носовой оконечности, вследствие этого становится эффективным применение носового крыла для снижения интенсивности продольной качки.

Выбор суммарной площади консолей носового крыла, не превышающей 2% площади КВЛ, в сочетании с приданием максимально возможной вертикальной сплюснутости носового бульба (t_б < b_б), позволяет в совокупности достичь достаточно высокой степени снижения интенсивности продольной качки при приемлемом повышении сопротивления движению судна. Параметры формы крыла (удлинение < 1, сужение 2, относительная толщина профиля у корня 0,15 и у концов консолей 0,10, симметричность профиля и положение линий его наибольших толщин на линии 1/4 хорд) обеспечивают достижение высокого гидродинамического качества крыла и его достаточной прочности. Относительное расположение крыла по длине судна не далее 0,125 L от носового перпендикуляра и, его высоты расположения по отношению к бульбу на 1/2 высоты бульба от его нижней кромки позволяет получить оптимальное сочетание между величиной создаваемого этим крылом демпфирующего момента при продольной качке судна и относительным временем оголяемости крыла при продольной качке на высокой балльности волнения.

Подъем килевой линии вертикальной килевой наделки в сторону кормовой оконечности под углом ^o с tg 0,015 обеспечивает некоторое снижение смоченной поверхности подводной части судна, приводящего к уменьшению сопротивления трения, а также улучшение условий докования судна за счет требуемого при этом минимального подъема килевой дорожки дока к корме судна.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена проекция "Бок" теоретического чертежа судна, на котором изображены очертания линии ДП судна по точкам притыкания продолжений линий теоретических шпангоутов к ДП (кривая GABCDEF), очертания линии вертикальной килевой наделки BNPDCB, контур линии носового бульба ZKA, сечение носового крыла и его положение по длине l_к и осадке t_к; на фиг. 2 представлена проекция "Полуширота" теоретического чертежа с изображением GHJQF формы КВЛ, формы носового бульба в плане, а также форма и положение носового крыла по ширине; на фиг. 3 представлена проекция "Корпус", на которой приведены форма носовых, средних по длине и кормовых шпангоутов, размеры и формы поперечного сечения носового бульба и положение носового крыла; на фиг. 4 показаны преимущества предлагаемого технического решения в части снижения остаточного сопротивления судна в виде зависимости коэффициента остаточного сопротивления (_r) судна без выступающих частей от скорости по числу Фруда для судов с лучшей традиционной формой обводов и с предлагаемой новой формой; на фиг. 5 показаны технические преимущества изобретения в части снижения интенсивности продольной качки в виде зависимости амплитуд килевой качки ^o, амплитуд относительных колебаний носовой оконечности g₀ на встречном волнении для судов с лучшей традиционной формой обводов и предлагаемой новой формой обводов и с носовым крылом.

Корпус судна имеет носовой бульб 1 (ZKA), вертикальную килевую наделку 2 в кормовой оконечности (фиг. 1), успокоители бортовой качки с двумя управляемыми рулями (не показаны) и скуловые кили (не показаны), носовое крыло 3, состоящее из двух симметрично расположенных побортно горизонтальных консолей, прямолинейные у форштевня носовые ватерлинии в районе КВЛ 4 по высоте (фиг. 2).

Подводная часть корпуса судна имеет наибольшую ширину B по КВЛ в кормовой оконечности - 2 QF (фиг. 2), соотношение площадей кормовой S_к и носовой S_н частей КВЛ относительно линии 5, проходящей через середину КВЛ по длине судна, Форма КВЛ 4 (GHJQF) по длине имеет четыре характерных участка (фиг. 2): первый участок 6 (GH) - прямая, под углом ^o относительно ДП, второй участок 7 (HJ), простирающийся от конца первого участка до точки, отстоящей от нулевого теоретического шпангоута 8 на расстоянии kL и от ДП судна - на B/2 - дуга окружности с центром 9, лежащим на перпендикуляре 10 к ДП, опущенном через точку J, третий участок 11 (JQ) - прямая, параллельная ДП, простирающаяся от конца второго участка до линии FQ пересечения КВЛ и плоскости 20-го теоретического шпангоута 12 (фиг. 1, 3), а четвертый участок 13 (QF) - отрезок КВЛ от 3-го участка КВЛ до ДП судна.

Судно имеет наибольшую осадку в носовой оконечности Т (см. фиг. 1), которая постепенно уменьшается в направлении к корме.

Линия ДП 14 судна (ABCDEF) в днищевой части имеет S-образную форму от точки B до точки E, а между точками E и F - она прямая (фиг. 1).

Носовой бульб 1 имеет следующие характеристики: площадь поперечного сечения в наиболее полной части S_б 0,4_max, (_max - площадь погруженной по КВЛ части наиболее полного шпангоута), отношение наибольшей высоты бульба (t_б) к наибольшей ширине бульба (b_б)-t_б/b_б 0,8; 20-й (фиг. 3) теоретический шпангоут 12 в средней его части 15 по ширине судна, в интервале 0,4875 В имеет форму дуги радиуса r₂₀ = В с центром 16, лежащим в ДП ниже КВЛ, а внешние участки (17) 20-го шпангоута 12 имеют форму плавных кривых, которые сопрягаются с линией 20-го теоретического шпангоута в надводной части судна (фиг. 3).

Вертикальная килевая наделка 2 (фиг. 1) имеет подъем своей килевой линии 17 в сторону кормы с углом , tg которого 0,015.

Носовое крыло 3 состоит из двух установленных побортно горизонтальных консолей (фиг. 1, 2, 3), каждая из которых имеет удлинение меньше 1 и сужение, не превышающее 2. Консоли крыла имеют симметричный авиационный профиль с толщиной у корня не более 0,15 хорды, а у конца консоли - не более 0,1 хорды. Причем профиль имеет наибольшую толщину на линии 1/4 хорд по размаху, которая перпендикулярна к ДП судна. Консоли 3 расположены по отношению к корпусу судна: по длине судна - с отстоянием l_к передней кромки у корня консоли от носового перпендикуляра GO (фиг. 1) судна не далее чем 0,125 L, а по высоте - на возвышении их плоскости над нижней кромкой бульба 1, равном 1/2 высоты бульба t_б (см. фиг. 3).

При движении судна, имеющего уменьшенную ширину в средней части и за счет этого - уменьшенную площадь поперечного сечения наиболее полного по длине шпангоута и уменьшенную по сравнению с прототипом продольную кривизну поверхности корпуса, при высоких числах Фруда F_r= 0,35-0,50 происходит снижение перепада давления вдоль его корпуса в целом, а также уменьшение локальных градиентов давлений, что в совокупности приводит к снижению волнового сопротивления и сопротивления формы (остаточного сопротивления).

При прохождении гребня волны вдоль судна, за счет того что у судна новой формы существенно уменьшено соотношение площадей носового и кормового участков КВЛ уменьшается вызванная этим гребнем дополнительная сила плавучести и создаваемый этой силой дифферентующий момент, благодаря чему становится эффективным применение носового крыла, создающего демпфирующий момент при продольной качке судна, что в совокупности значительно снижает интенсивность продольной качки судна на взволнованном море, особенно при встречном волнении.

При продольной качке судна на стопе и при движении носовое крыло образует демпфирующий момент, который создается вследствие вертикальных перемещений крыла вместе с корпусом судна и появляющейся при этом на крыле подъемной силы, которая в течение большей части периода продольных колебаний судна направлена против направления скорости вертикального перемещения. Этот момент прямо пропорционален площади крыла, коэффициенту его подъемной силы, квадрату результирующей скорости набегающего на крыло потока и расстоянию от центра качания судна при продольной качке до гидродинамического фокуса.

Результаты модельных испытаний судов (см. фиг. 4), имеющих одинаковое водоизмещение, относительную длину



поперечную площадь носового бульба, близкую поперечную остойчивость с лучшей традиционной формой обводов и предлагаемой новой формой, показывают, что в диапазоне чисел Фруда от 0,15 до 0,6 предлагаемая форма обводов позволяет снизить остаточное сопротивление на 37% при F_r=0,30; на 43% при F_r= 0,40; на 33% при F_r=0,50.

Результаты модельных испытаний по исследованию продольной качки судов на встречном волнении (см. фиг. 5) для высот волн от 2 до 8,5 м для судов новой формы с носовым крылом площадью 1,1% S и лучшей традиционной формы, имеющих одинаковое водоизмещение, длину по КВЛ, свидетельствуют о том, что применение предложенных нетрадиционных обводов корпуса в сочетании с носовым крылом приводит к существенному снижению амплитуд килевой качки судна и обусловленных ее вертикальных ускорений корпуса (по качке до 35%) на волнении 6 баллов и скорости хода по числу F_r= 0,31, а также уменьшению интенсивности (по отношению к уровню волны) колебаний носовой оконечности (g₀) судна и, следовательно, подверженности его слемингу и заливанию на эксплуатационных режимах плавания (волнение моря до 6 баллов и скорости хода до F_r=0,31).