корпус судна

Формула изобретения

1. Корпус судна, отличающийся тем, что он снабжен устройством для уменьшения волнового и вихревого сопротивления, выполненным в виде по крайней мере одной плоскости, укрепленной вдоль корпуса судна на уровне ватерлинии, при этом у носа судна плоскости выполнены изогнутыми вверх, а за кормой смыкаются в одну плоскость.

2. Корпус судна по п. 1, отличающийся тем, что ширина плоскости равна 0,05-0,3 высоты осадки судна.

3. Корпус судна по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что плоскости наклонены на 15-45^o от горизонтали.

4. Корпус судна по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что плоскости выступают за корму на 1-5 м.

5. Корпус судна по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что кромки плоскостей выполнены из упругого материала, например из резины.

6. Корпус судна по п. 5, отличающийся тем, что ширина упругих кромок составляет 0,2-0,5 м.

7. Корпус судна по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что плоскости прикреплены к корпусу шарнирно с возможностью изменения угла наклона плоскостей в процессе движения судна.

8. Корпус судна по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что плоскости дополнительно снабжены устройством для регулирования их по высоте борта судна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается устройств для уменьшения гидродинамического сопротивления воды при движении судна. В частности, изобретение можно использовать для вновь строящихся и эксплуатируемых судов, включая поплавки гидросамолетов и перископы подводных лодок.

Известны корпуса судов, снабженные различными приспособлениями для снижения сопротивления движению. Форма или геометрия корпусов судов, в особенности их подводной части, спроектированы с учетом различных факторов, например в патенте СССР [1], журнале "Наука и жизнь" [2], судну придают очертания, которые должны устранить всякое раздвигание воды в сторону носом движущегося судна и тем самым облегчить правильное образование гидродинамических струй под днищем судна.

Из авторского свидетельства СССР известно также судно [3], содержащее корпус, верхнюю палубу и надстройку с опорными элементами, а также амортизирующие элементы крепления надстройки, которое снабжено водонепроницаемым ограждением с планширем, установленным по периметру верхней палубы.

Недостатками аналогов является достаточно большое сопротивление от раздвигания воды, в результате чего перед носом судна образуется наплыв (вспучивание) воды, которое создает большое дополнительное сопротивление.

В качестве прототипа выбрана обтекаемая поверхность твердого тела для газа или жидкости (корпус судна) [4], выполненная в виде последовательного ряда ступеней расширения-выравнивания потока, в котором для устранения явлений, связанных с отрывом потока и резкого снижения потерь на трение и расширение, основные размеры ступени потока выполнены следующими: угол раскрытия участка расширения 7^o30"-15^o, отношение большого диаметра к малому не более 1,25.

Недостатками прототипа является сложность устройства. Кроме того, он имеет достаточно большое сопротивление от раздвигания воды, в результате чего перед его фронтальной поверхностью образуется наплыв (вспучивание) воды, которое создает большое дополнительное сопротивление, а за кормой образуется водяная "впадина".

Задачей изобретения является устранение волнового и вихревого сопротивления жидкости и упрощение конструкции устройства.

Поставленная задача решается тем, что в известном судне, корпус которого выполнен в виде клиновидного или плоского профиля, согласно изобретению корпус снабжен устройством для уменьшения волнового и вихревого сопротивления, выполненным в виде плоскости, укрепленной вдоль корпуса судна на уровне ватерлинии, при этом у носа судна плоскости выполнены изогнутыми вверх, а за кормой смыкаются в одну плоскость.

Поставленная задача решается также и тем, что ширина плоскостей равна 0,1-0,3 высоты осадки судна.

Поставленная задача решается также тем, что плоскости наклонены от горизонтали на угол, не превышающий 45^o.

Поставленная задача решается также тем, что плоскости выступают за корму на 1-5 м.

Поставленная задача решается также тем, что кромки плоскостей выполнены из упругого материала, например из резины.

Поставленная задача решается также тем, что ширина упругих частей кромок оставляет 0,2-0,5 м.

Поставленная задача решается также тем, что плоскости прикреплены к корпусу шарнирно с возможностью изменения угла наклона плоскостей в процессе движения судна.

Поставленная задача решается также тем, что плоскости дополнительно снабжены устройством для регулирования их по высоте борта судна.

Общеизвестно, что гидродинамическое сопротивление тел, движущихся глубоко под водой, слагается из фрикционного сопротивления, т.е. сопротивления трения, вихревого и волнового сопротивления. Первое сопротивление зависит от качества поверхности и площади фрикционного контакта. Второе сопротивление - от вихрей, возникающих при отрыве потока от острых кромок и кормовой оконечности тела. И, наконец, волновое сопротивление возникает от давления стоячих или набегающих на корпус волн. При определенных условиях, когда скорость распространения волн в воде превышает скорость движения судна и источник возникновения волн находится сзади от вектора движения судна, волновое сопротивление может быть отрицательным, т.е. волны будут подталкивать судно.

При движении судна давление перед носовой частью судна возрастает, а за кормой падает. Вначале, пока перепад давления невелик, вода из под носа успевает перетекать под корму, огибая корпус с боков и под днищем. По мере повышения скорости часть воды не успевает втянуться в это течение и начинает выпираться на поверхность в виде носового бугра, порождающего систему носовых волн.

По мере возрастания скорости тела возрастают все три вида сопротивления, при этом возрастание происходит неравномерно. У тихоходных - фрикционное сопротивление 80-90%, у быстроходных - его доля снижена до 40-60% в основном за счет нарастания волнового сопротивления.

Явления, происходящие за кормой, носят обратный характер: начиная с некоторой скорости вода не успевает заполнять образующуюся здесь пустоту, в результате чего образуется впадина, генерирующая систему кормовых волн.

Явление осложняется, когда до кормы доходят отражения носовых волн.

Настоящее изобретение позволяет создать условия, при которых вода из под носа своевременно перетечет за корму, тем самым причина волнообразования устраняется или по крайней мере существенно уменьшается.

Таким устройством может быть плоскость, расположенная вдоль борта судна и не позволяющая образоваться носовому бугру. Вместо этого, плоскость набегает на бугор, создавая условия глиссирования, одновременно повышая давление в этом бугре и обеспечивая условия перетекания воды под давлением вдоль корпуса к корме.

Для предупреждения появления волнового сопротивления при различной загрузке и осадке судна, количество плоскостей может быть более одного.

При наличии плоскостей вдоль бортов образуются два канала, ограниченных следующими поверхностями: боковая поверхность борта судна с одной стороны и поверхность неподвижной массы воды, не увлеченной в движении с другой стороны. Сверху канал ограничивается поверхностью плоскостей, а снизу - поверхностью неподвижной массы воды, не увлеченной в движении.

Образованные таким образом два канала позволяют воде проходить из-под носа судна за его корму.

Из-за того, что оба канала представляют собой сужающиеся виртуальные устройства, протекающая в них вода подчиняется закону неразрывности струи, скорость протекания воды по ним увеличивается.

Таким образом, образующийся перед носом судна носовой бугор воды будет перенесен за корму по образованному плоскостями каналу, заполняя образовавшуюся впадину, тем самым предупреждая волновое и вихревое сопротивление. Обе боковые плоскости за кормой сходятся и образуют кормовую плоскость, выступающую за корму на 1-5 м. Такая кормовая плоскость закрывает кормовую впадину от доступа в нее атмосферного воздуха и пониженное давление за кормой способствует увеличению скорости боковых потоков, а следовательно, понижению сопротивления движению судна.

Выполнение кормовой плоскости протяженностью менее 1 м не перекрывает всю впадину за кормой. Выполнение кормовой плоскости протяженностью более 5 м бессмысленно, поскольку как правило впадина не бывает большей длины.

По мере увеличения скорости судна сужение действующих каналов будет увеличиваться по следующей причине - увеличение скорости движения слоя воды на границе борт судна и неподвижный слой остальной массы воды. При увеличении скорости этого потока, по закону Паскаля, давление в этом потоке снижается, и поэтому внешним повышением давления спокойной жидкости будет все больше сужать канал движущейся воды с низким давлением. Происходит саморегуляция величины сечения каналов в зависимости от скорости судна.

Плоскости могут быть установлены с наклоном до 45^o относительно горизонтали. Такая установка плоскостей позволяет выполнить каналы трапецеидальной формы, ограничивая протяженность виртуального канала с неподвижной массой воды и естественно, не вовлекать в движение значительные массы прилегающей к судну воды. Установка плоскостей под отрицательным углом к горизонту нецелесообразна, поскольку в этом случае вода будет интенсивно вытесняться плоскостями в стороны и потеряется весь смысл плоскостей и образования канала. Выполнение угла к горизонту более 45^o также нецелесообразна, поскольку в этом случае сечение канала становится слишком малым, и такой канал не позволяет пропустить всю воду с носового бугра в кормовую впадину.

В носовой части судна плоскости установлены выше ватерлинии и плавно переходят в горизонтальные участки.

Ширину плоскостей выбирают равной 0,05-0,3 высоты осадки судна. Если выполнить ширину плоскостей меньшей 0,05 высоты осадки, то такие плоскости не дадут ощутимого эффекта, поскольку будут слишком узкими для перевода всей массы воды нового бугра. С увеличением скорости увеличивается носовой бугор и плоскости должны быть существенно шире - до 0,3 высоты осадки судна. Большую ширину плоскости принимать нецелесообразно, поскольку в этом случае ширина плоскости становится избыточной и возникают большие значения фрикционного трения.

Кромки плоскостей удобно выполнять из упругого материала, например резины, и известными методами крепить к плоскостям. При этом кромка может вибрировать в резонансе с колебаниями воды и существенно уменьшить фрикционное трение. Такие вибрации возникают при ширине кромок от 0,2 до 0,5 м. Более узкие кромки становятся достаточно жесткими и не выполняют своей роли, а более 0,5 м становятся наоборот слишком мягкими и не обеспечивают работу плоскостей по переносу воды из-под носа в кормовую часть.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен вид судна в плане; на фиг.2 - разрез А-А фиг.1; на фиг.3 - то же, но с наклонной установкой плоскостей; на фиг.4 - вид судна сбоку (вид Б фиг.2); на фиг.5 - то же, но с установкой наклонных плоскостей (вид В фиг.3); на фиг.6 - то же, но установка нескольких плоскостей вдоль одного борта; на фиг.7 - установка плоскостей с возможностью их шарнирного крепления к корпусу судна и поворота; на фиг.8 - установка плоскостей с возможностью их вертикального перемещения; на фиг. 9 - установка плоскостей с упругой кромкой и возможностью шарнирной установки плоскостей.

Корпус судна состоит из обшивки 1, к которой прикреплены плоскости 2. Плоскости проходят вдоль корпуса и за кормой судна смыкаются в кормовую плоскость 3, выходящую за корму на 1-5 м. Плоскости 2 могут быть прикреплены к обшивке посредством устройства шарнирного 4 вертикального перемещения 5 с пневматическим, гидравлическим или иным известным приводом. К плоскостям крепят упругие кромки 6 известными методами.

Судно перемещается следующим образом. При сходе судна на воду и его загрузке оно дает осадку до уровня ватерлинии. При этом плоскости 2 уходят немного ниже поверхности воды. Если есть возможность перемещения, то с помощью устройства вертикального перемещения 5 плоскости 2 устанавливают на необходимую глубину. При отсутствии механизма вертикального перемещения, но при установке двух и более плоскостей, каждая из плоскостей будет дополнительно погружаться, обеспечивая вступление в работу плоскостей по мере загрузки судна. Для судов с небольшой загрузкой достаточно одной плоскости 2 по каждому борту судна, при этом плоскости 2 могут быть закреплены на обшивке 1 неподвижно.

При увеличении скорости движения судна или изменении внешних условий, например осадки судна, можно с помощью устройства шарнирного перемещения 4 изменить угол плоскостей относительно вертикали и выбрать наиболее приемлемое положение плоскостей.

Выполнение корпуса судна согласно изобретению позволяет существенно снизить волновое и вихревое сопротивление движению судна в водной среде, повысить его экономичность.

Источники информации

1. Патент СССР 2734, кл. В 63 В 3/00, 30.04.1927 г.

2. Журнал "Наука и жизнь", 9, 1998 г., стр.25-26.

3. Авторское свидетельство СССР 1505835, кл. В 63 В 15/00, 07.09.89.

4. Авторское свидетельство СССР 466345, кл. F 04 D 29/52, 07.09.69. - (прототип).