.

Вы здесь

Обводы, сопротивление, скорость хода и мощность глиссирующих судов

Обводы, сопротивление, скорость хода и мощность глиссирующих судов

24.11.2008 Автор: 0 16574

Л. М. КРИВОНОСОВ

Гидродинамические режимы движения и соответствующие им типы обводов

Малое быстроходное судно по мере «набирания» скорости проходит сначала режим плавания, а затем — переходный режим; лишь после этого оно начинает глиссировать. Основное практическое различие между этими режимами заключается в том, что в течение каждого из них судно для повышения скорости расходует на один километр в час неодинаковую величину мощности.

Это объясняется тем, что силы, поддерживающие судно (архимедова сила поддержания, гидродинамическая подъемная сила) и оказывающие сопротивление движению (сопротивления трения, волновое, вихревое), изменяют свою величину на каждом из трех режимов по различным законам гидродинамики. Смена этих законов происходит не внезапно — на границах режимов, — а постепенно и притом то быстрее, то медленнее; поэтому сопротивление и положение судна на воде (осадка и дифферент) также изменяются постепенно, с ускорениями и замедлениями. Как видно на рис. 1, при смене режима плавания переходным рост сопротивления замедляется, а в дальнейшем — при выходе на режим глиссирования — вновь ускоряется.
При движении судна на режиме плавания, как это видно из рис. 1, дифферент меняется незначительно; затем, в начале переходного режима он сильно возрастает, после чего снова медленно падает.

Рис. 1. Кривые сопротивления и углов дифферента безреданного глиссера водоизмещением D=0,83 т.

По мере увеличения скорости, на режиме глиссирования угол дифферента продолжает уменьшаться.

Средняя начальная (на стоянке) осадка за время прохождения судном всех режимов уменьшается в несколько раз.

Одновременно со сменой режимов меняется и картина волнообразования при движении судна. Спокойное волнообразование при движении судна на режиме плавания по мере приближения к переходному режиму постепенно сменяется бурным волно- и брызгообразованием, создаваемым носовой частью днища; одновременно с этим вода полностью отрывается сперва от транца, а затем и от бортов судна. Для режима чистого глиссирования характерны сравнительно слабые волны, но из-под днища вырываются сильные струи и брызги.

Если судно, предназначенное для глиссирования, спроектировано правильно и располагает двигателем достаточной мощности, то можно легко вычислить скорости хода, при которых будут происходить смены режимов, по формулам:

  • для начала переходного режима;

  • для начала режима глиссирования.

В этих уравнениях скорость v выражена в метрах в секунду, а водоизмещение V—в кубических метрах.

Для удобства вычисления значений на рис. 2 приведен соответствующий график [V(м3) = D(т)].

Рис. 2. Диаграмма для вычисления

Рис. 3. Кривая эффективной мощности безреданного глиссере водоизмещением D=0,83 т.

Поэтому, если одни суда предназначаются для движения на режиме плавания, то для других расчетным является переходный режим, а для третьих — режим глиссирования. При этом каждому судну придают обводы, позволяющие ему квк можно лучше использовать особенности заданного режима и затрачивать благодаря этому возможно меньшую удельную мощность, т. е. мощность, приходящуюся на каждый килограмм водоизмещения.
Для режима плавания наиболее рациональны так называемые круглодон-ные (круглоскулые) обводы (рис. 4), обеспечивающие хорошо обтекаемую форму корпуса судна и рассчитанные только на архимедову силу поддержания.

Рис. 4. Округлые обводы туристского катера (длина 12,2 м; ширине 2,9 м), рассчитанные на режим плавения.

Судам, предназначенным для движения на переходном режиме, часто придают плоско-килеватые обводы (рис. 5), имеющие большую килеватость, транцевую корму и острые скулы по всей длине. Для судов, рассчитанных на этот режим движения, применяются также комбинированные обводы: плоско-килеватые в корме и округлые в носовой части. На судах с такими обводами к архимедовой силе поддержания по мере роста скорости хода прибавляется гидродинамическая подъемная сила, ввиду чего судно на ходу частично вытесняется из воды, причем его борта почти не обтекаются водой.

Рис. 5. Плоско-килеватые обводы большого туристского катера длиной 12,5 м, рассчитенные не переходный режим.

Рис 6. Плоско-килеватые обводы прогулочного глиссера (длина 4,0 м; ширина 1,5 м).

Рис. 7. Обводы днища однореданного глиссера.

Обтекание днища на переходном режиме происходит частично вдоль днища и частично — поперек. Общее направление обтекания — под углом, от киля к скулам.

Обводы глиссирующих судов делают плоско- или изогнуто-килеватыми с углом килеватости, уменьшающимся от носа к корме до нуля и, в среднем, меньшим, чем для судов переходного режима; скулы — всегда острые по всей своей длине, корма — транцевая (рис. 6). Иногда на наиболее быстроходных глиссирующих судах, не предназначенных для хода по волнению, около середины длины поперек днища делают один или несколько уступов, называемых реданами (рис. 7).

Обводы глиссирующих судов рассчитаны на то, что судно на ходу поддерживается почти исключительно гидродинамической подъемной силой и лишь в очень малой степени архимедовой силой.

Элементы обводов глиссирующих судов и их значение

Плоское днище. Для создания гидродинамической подъемной силы очень выгодно совершенно плоское днище, однако такое днище даже при небольшом волнении испытывает очень сильные удары о поверхность воды, исключающие возможность нормальной эксплуатации глиссера. При более высоких волнах, когда днище большей еврей частью время от времени отрывается от воды, удары плоского днища о воду становятся настолько сильными, что могут привести к разрушению конструкции и аварии судна.

Другим недостатком судна с совершенно плоским днищем является очень плохая поворотливость; после отклонения руля оно дрейфует в сторону, противоположную перекладке руля, описывая очень пологую кривую. Это происходит потому, что после отклонения руля судно, двигаясь по кривой, испытывает центробежную силу, уравновесить которую может только боковое сопротивление днища; плоское же днище достаточного бокового сопротивления оказать не может. Для устранения этого недостатка приходится ставить на днище специальный плавник. Поэтому плоское днище, в чистом виде, почти не находит применения.

Плоско-килеватое днище. Чтобы смягчить удары о воду, наиболее сильные в носовой части, днищу глиссирующих судов придают килеватость, большую в носу и меньшую в корме. В этом случае замедление падающего на воду судна при встрече с водой происходит постепенно, по мере погружения килеватого (клинообразного) днища в воду. Если при встрече с волной погружение за 1 сек. замедляется больше, чем на 9,81 м/сек, т. е. если замедление становится больше, чем величина ускорения силы тяжести g = 9,81 м/сек2, то говорят, что судно испытывает перегрузку, равную одному g. Перегрузку, равную 5—6 g, человек переносит очень тяжело. Судно с килеватым днищем обладает хорошей поворотливостью, так как оказывает центробежной силе достаточное боковое сопротивление; при определенной профилировке обводов такое судно становится весьма остойчивым на циркуляции, которая совершается с внутренним креном.

Плоско-килеватое днище лишено главнейших недостатков плоского, однако с увеличением килева-тости повышаются сопротивление судна и угол его ходового дифферента, падает подъемная сила, возрастает брызгообразование. Килеватое днище рассчитать и изготовить труднее, чем плоское. Обычно для уменьшения сопротивления и ходового дифферента килеватость постепенно уменьшают от носа к корме и у транца днище в поперечном сечении делают плоским. Слишком большая килеватость в средней части корпуса вынуждает делать очень резкие изменения угла килеватости в кормовой рабочей (смачиваемой при глиссировании) части днища, а это вызывает повышение сопротивления; днища с тем же средним углом, но с небольшой разницей в носовом и кормовом углах килеватости имеют меньшее сопротивление. Такая разница в сопротивлении объясняется тем, что при всяком резком изменении обводов при переходе от одного шпангоута к другому поток должен затрачивать энергию на закручивание.

Изогнуто-килеватое днище. Для снижения высоты струй и брызг, срывающихся со скул, иногда поднимающихся выше бортов и заливающих при боковом ветре пассажиров, ближайшую к скулам часть днища очень плавно (например, по дуге окружности) отгибают книзу (рис. 8). Такой изгиб днища служит и для некоторого увеличения гидродинамической подъемной силы, а следовательно, уменьшения сопротивления. При протекании по такому закруглению поперек днища масса воды приобретает центробежную силу, направленную вверх, После отрыва от днища вода устремляется вниз. Иногда отгибаемой части шпангоута у скулы придают горизонтальное положение (рис. 9).

Величина гидродинамической подъемной силы зависит от радиуса и расположения поперечного закругления днища (иногда называемого тоннелем).
Отгиб днища у скул для увеличения гидродинамической подъемной силы и уменьшения сопротивления часто сочетают с небольшой выпуклостью днища у киля (рис. 10).

Такая форма днища носит название изогнуто-килеватой. Изогнуто-килеватое днище может иметь очень прочную конструкцию, которой не страшны сильные удары о воду. Однако изогнуто-килеватое днище менее изучено, чем пло-ско-килеватое, поэтому его сопротивление может быть рассчитано лишь весьма приближенно. Постройка катера с изогнуто-килеватым днищем также значительно труднее.

Рис. 8. Профиль с отгибами у скул (тоннелями).

Рис. 9. Изогнуто-килеватый профиль с горизонтальным направлением у скулы.

Рис 10. Изогнуто-килеаватый профиль с тоннелями у скул и закруглением у киля.

Обводы, развертываемые на плоскость. Для того чтобы упростить выкройку и процесс крепления наружной обшивки из фанеры или другого листового материала, выбирают обводы, развертываемые на плоскость. При таких обводах обшивку днища можно выкроить из одного листа, не прибегая к разрезанию листов на узкие полосы, выколотке или другим подобным приемам; шпангоуты в своей днищевой части слегка выпуклы (рис. 11). Качество обводов, развертываемых на плоскость, часто бывает не хуже, чем более сложных.

Рис. 11. Обводы, развертываемые на плоскость: а — с высокой скулой в носу; б — с низкой скулой в носу.

Геометрический способ построения таких обводов описан в нескольких специальных работах.

Цилиндрические обводы днища (моногедрон). В последние годы некоторые зарубежные авторы рекомендуют придавать смачиваемой части днища глиссирующих судов цилиндрические обводы. Днищевые части кормовых шпангоутов при таких обводах имеют одинаковый угол килеватости и одинаковые очертания (рис. 12). Днища с такими обводами, получившими название «моногедрон», имеют постоянный угол атаки на всей рабочей части; кроме того, поток воды, омывающий днище, не затрачивает энергию на закручивание.

Обводы моногедрон несколько упрощают постройку судна, позволяют с большей уверенностью производить расчеты сопротивления и не исключают возможности придания носовым обводам любой , формы. Однако экспериментальные данные, подтверждающие изложенные выше соображения, весьма ограничены и число построенных катеров с обводами типа моногедрон невелико, хотя близкие к цилиндрическим обводы кормовой части днища применяются весьма часто.

Рис. 12. Цилиндрические обводы кормовой части днища (моногедрон).

Реданные обводы днища. Редан делит длину днища на две части, превращая относительно длинную смоченную площадь в две, более короткие. Увеличение отношения ширины смоченной площади днища к длине выгодно с точки зрения сопротивления и подъемной силы. Кроме того, смоченная поверхность днища, а следовательно и величина сопротивления уменьшаются благодаря тому, что вода, «отжимаемая» реданом книзу, отрывается от его кромки и оголяет большую часть днища за реданом. Редан располагают так, чтобы центр тяжести глиссера находился между ним и транцем, причем расстояние от центра тяжести до редана составляло бы 25—40% расстояния между реданом и транцем (рис. 13). Соответственно этому на реданную смоченную площадку приходится 60—75% полного веса судна, а на транцевую 25—40%. Высота редана должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить доступ воздуха в зареданную область. Форма редана в плане особого значения не имеет; обычно срез редана располагают поперек судна в плоскости шпангоута.

Рис. 13. Расположение центра тяжести на реданном глиссере.

Реданные глиссеры при одинаковых условиях нагрузки на режиме чистого глиссирования, как правило, имеют меньшее сопротивление, чем безре-данные, однако они более чувствительны к волнению. При ходе на режиме глиссирования короткая смоченная часть днища впереди редана очень легко отрывается от волны, после чего судно стремительно падает, ударяясь с большой силой о воду. Такие стремительные прыжки судна, называемые «барсом», значительно снижают качества глиссера, так как во избежание недопустимо больших перегрузок заставляют снижать скорость хода. Этот недостаток делает реданные глиссеры маломореходными и ограничивает их применение плаванием по внутренним водным путям и в прибрежной морской полосе.

Точный гидродинамический расчет реданных глиссеров значительно труднее, чем безреданных, так как при глиссировании кормовая часть днища встречает поверхность воды, искаженную реданом. Определение профиля этой поверхности, фактических углов атаки и скоростей, с которыми кормовая часть днища встречает поток, — задача очень сложная. Поэтому сопротивление реданных глиссеров определяют главным образом испытанием моделей или по статистическим данным ранее построенных глиссеров, а не путем теоретического расчета. Трехточечные обводы днища. Около двадцати пяти лет тому назад появились гоночные глиссеры с особым устройством корпуса. Корпуса этих судов при ходе на режиме глиссирования соприкасаются с водой тремя площадками днища: двумя передними, расположенными у бортов судна, и одной задней (рис. 14).

Такой корпус по существу представляет собой обычный безреданный корпус, в носовой части которого с обоих бортов прикреплено по одному поплавку (спонсону). Днище этих поплавков приспособлено для глиссирования и расположено ниже днища основного корпуса, поэтому при глиссировании большая часть днища корпуса катера оказывается над поверхностью воды; кормовая же часть днища, прилегающая к транцу и соприкасающаяся с водой, так же, как и днища поплавков, служит рабочей площадкой.

Смысл трехточечной системы обводов заключается в следующем. При определенных условиях на больших скоростях движения излишняя ширина днища вредит, но уменьшить ее нельзя по соображениям остойчивости. В этих случаях требуемую ширину днища получают введением двух узких поплавков, расставленных достаточно широко, чтобы обеспечить необходимую поперечную остойчивость.

При очень больших скоростях движения поток воздуха, попадающий под днище основного корпуса, создает дополнительную подъемную силу, способствующую уменьшению его сопротивления.

Рис. 14. Трехточечная схема обводов; заштрихованы смоченные площадки.

Обводы кормы. Основная величина гидродинамических сил действует на носовую часть рабочей площади днища глиссера. Кормовая часть имеет второстепенное значение с точки зрения сопротивления и подъемной силы глиссера. Однако неудачные размеры и обводы кормы могут существенно увеличить сопротивление и ухудшить ходовые качества глиссера. Так, слишком широкая корма может привести к омы-ванию бортов потоком воды, сходящим со скул носовой части и особенно большим на переходном режиме. Если глиссер не располагает достаточным запасом мощности, он может оказаться не в силах преодолеть «горб» сопротивления и не выйдет на режим глиссирования. Слишком широкая корма обладает излишней подъемной силой и имеет стремление оторваться от воды, что может привести к «тряске» кормы, а затем и к ударам о воду всего корпуса. Это вредное явление, называемое потерей устойчивости хода, иногда заставляет прекращать увеличение скорости хода несмотря на то, что двигатель еще располагает значительным запасом мощности. К потере устойчивости хода приводит и слишком большой угол атаки днища вблизи транца, так как подъемная сила может превысить вес, приходящийся на кормовую рабочую площадку.
Обводы кормовой части днища приобретают большое значение, когда требуется уменьшить слишком большой угол дифферента на ходу. Особенно большую роль кормовые обводы играют в тех случаях, когда 'из-за слишком большого угла атаки сопротивление глиссера на переходном режиме (на горбе) может оказаться столь большим, что для перехода на режим глиссирования мощности не хватит.

Рис. 15. Отгиб кормовой части днища книзу.

Рис. 16. Выпуклое у транца днище.

Рис. 17. Вогнутое у транца днище.

Для уменьшения углов дифферента глиссера ближайшей к транцу части днища придают плавный (часто по дуге окружности большого радиуса) отгиб вниз, увеличивающий подъемную силу и, следовательно, всплывание кормы (рис. 15), что уменьшает угол дифферента судна. Однако чрезмерный отгиб приводит к потере устойчивости хода. Изгиб днища в обратном направлении, т. е. выпуклостью вниз, может вызвать подсос кормы в воду и недопустимое увеличение дифферента.
Для улучшения поворотливости глиссера кормовым шпангоутам иногда придают выпуклые очертания (рис. 16); такая форма помогает судну накреняться внутрь циркуляции, т. е. в сторону поворота. Для повышения устойчивости на курсе часть днища вблизи транца иногда делают вогнутой внутрь (рис. 17), но это значительно ухудшает поведение глиссеров на циркуляции.

Формы скулы. В большинстве случаев скула, начиная с транцевого шпангоута, постепенно приподнимается (по отношению к линии киля) и заканчивается у форштевня или вблизи от него. Большая часть линии скулы представляет собой прямую либо плавную кривую, обращенную выпуклостью вниз. В тех случаях, когда глиссер предназначен для «спокойной воды» и нет оснований опасаться встречи с большими волнами, скулу заканчивают на форштевне сравнительно близко от линии киля (рис. 18). Такую линию скулы, обращенную выпуклостью вниз, получить сравнительно просто, так как скуловой стрингер в этом случае не требует большого изгиба.

Рис. 18. Скупа, расположенная низко у форштевня.

Если предполагаются встречи с большими волнами, когда придется уменьшать скорость и переходить на режим плавания или переходный, то скулу в носовой части поднимают возможно выше, иногда до самой палубы; иногда скуле придают излом или, точнее, перегиб на одном из носовых шпангоутов. Начиная с места перегиба, часть скулы до форштевня делают выпуклостью кверху (рис. 19), при этом носовые шпангоуты делают V-образными с развалом (рис. 20). По мере опускания такой скулы при переходе к корме большие в носу углы килеватости уменьшаются, а шпангоуты могут получать двойную изогнутость — выпуклостью вниз у киля и выпуклостью вверх у скул. Однако скула, имеющая очень крутой перегиб, при лобовых встречах с волной может разрушиться.

Скулу с перегибом часто делают на реданных морских глиссерах.

У реданных глиссеров с водой соприкасается лишь ближайшая к транцу кормовая часть днища, поэтому скулу на остальной длине кормовой части произвольно поднимают лишь для того, чтобы избежать замывания водой днища и бортов за реданом.

Рис. 19. Скупа с перегибом в носовой. части.

На малых быстроходных глиссерах, например скутерах, у скулы делают так называемый поперечный скос (рис. 21); такой скос создает вдоль скулы наклонную к воде плоскость, на которой при значительном крене судна во время поворота возникает дополнительная гидродинамическая сила, предохраняющая судно от опрокидывания. С той же целью на малых гоночных судах трехточечной схемы борта носовых поплавков (спонсонов) также делают наклонными.

Рис. 20. Характер носовых шпангоутов при высокой скуле.

Рис. 21. Транец скутера со скошенными скулами.

Элементы носовой части, влияющие на забрызгиввние. На заливание и забрызгивание пассажирского кокпита оказывают влияние форма носовой части днища, непосредственно примыкающей к килю, и продольное очертание форштевня. Например, чем меньше радиус продольного, закругления форштевня, тем больше вероятность попадания воды в корпус; поперечная выпуклость днища у киля в районе форштевня предотвращает забрызгивание. Носовые V-образные шпангоуты со значительным отгибом скул книзу хорошо «отваливают» встречную волну в сторону и вниз, чем предотвращается подъем воды выше палубы и забрызгивание кокпита при боковом ветре.
Для предотвращения заливания воды в корпус иногда приходится ставить так называемые отбойные брусья на скулах и щитки на стыке палубы с бортом.
Обводы бортов. При проектировании обводов конструктор всегда стремится сделать площадь соприкосновения корпуса с водой возможно меньшей, так как этим достигается снижение сопротивления трения. Поэтому, если можно опасаться замывания бортов водой, то бортам кормовой части придают завал, т. е. ширину палубы делают меньше ширины по скуле. Бортовую часть носовых шпангоутов, напротив, всегда делают с развалом (рис. 20).

С целью упрощения постройки очень часто не только днище, но и борта делают прямолинейными; такие обводы носят название обводов шарпи.
В остальном обводы бортов, а также наклон транца выбирают по архитектурным соображениям.

Глиссирующие суда очень чувствительны к изменениям формы днища; неудачные обводы днища могут перевести судно из разряда глиссирующих в разряд плавающих. Поэтому, создавая глиссер, к его обводам следует подходить очень осторожно, ориентируясь на опыт глиссеростроёния, так как в настоящее время имеется еще очень мало сведений, чтобы заранее количественно оценить то или иное изменение обводов расчетным путем.

Влияние ширины, водоизмещения и центровки

Ширина, водоизмещение и центровка (относительное расположение центра тяжести судна по длине) для величины сопротивления глиссирующего судна имеют не меньшее значение, чем обводы. Однако количественно выразить влияние каждой из этих-величин на сопротивление в виде простых зависимостей не представляется возможным, так как для глиссирующего судна все эти величины связаны между собой. Например, изменение ширины неизбежно вызывает изменение углов дифферента на ходу, а следовательно, и длины смоченной поверхности корпуса, причем это влияние может быть большим или меньшим в зависимости от величины водоизмещения и углов килеватости.

Можно привести лишь несколько замечаний, которые помогут в тех случаях, когда необходимо отступить от удачных, зарекомендовавших себя значений ширины, водоизмещения и центровки.

  1. Уменьшение ширины днища вызывает увеличение углов дифферента.
  2. Если ширина днища выбрана наивыгоднейшей, т. е. обеспечивает наименьшее сопротивление, то ее без опасения нарушить глиссирование можно изменять на ±25%, а нагрузку на ±40%.
  3. Если ширина и нагрузка выбраны наивыгоднейшими в отношении сопротивления, то уменьшение нагрузки даже на очень большую величину (что повлечет за собой уменьшение углов дифферента) может увеличить скорость не больше чем на 5—10%.
  4. При принятии на борт дополнительных пассажиров их следует располагать в носовой части глиссера, чтобы не допустить увеличения угла атаки, всегда стремящегося возрасти с увеличением нагрузки.
  5. Увеличение нагрузки до 20% от наивыгоднейшей очень мало изменит отношение величины нагрузки к сопротивлению. Большее увеличение нагрузки может перевести глиссер на переходный режим.
  6. Смещение ЦТ к корме увеличивает сопротивление на «горбе» и снижает его на участке начала глиссирования; при этом «горб» кривой сопротивления несколько смещается в сторону меньших скоростей.
  7. Смещение ЦТ к носу «сглаживает горб» и приближает следующий за горбом участок кривой сопротивления к горизонтали.
  8. При увеличении нагрузки (без смещения ЦТ) на небольшую (до 10%) величину сопротивление возрастает пропорционально нагрузке.
  9. Значительное уменьшение нагрузки может привести к потере устойчивости хода на больших скоростях (в особенности для реданных глиссеров).
  10. Если на каждую лошадиную силу мощности двигателя приходится больше 30 кг водоизмещения, то глиссирования трудно добиться.

Выбор типа обводов, численное определение сопротивления, потребной мощности и скорости
ходе

Величина сопротивления глиссирующего судна является одной из наиболее важных его характеристик. От величины сопротивления зависят мощность двигателя, который должен быть установлен на судне, и скорость хода, которую сможет развить судно с данным двигателем.

Если известна зависимость величины сопротивления судна от скорости хода, то определение требующейся мощности и подбор гребного винта могут быть выполнены с большой точностью.

Однако определение сопротивления глиссирующего судна на стадии проектирования — задача не простая. Весьма точным способом для определения сопротивления судна является испытание модели в бассейне.

Другой способ — это испытание модели большого масштаба (такие модели называют «полунатурой») в открытом водоеме. Такую модель, в которой могут разместиться 1—2 человека, буксируют вдоль мерного участка другим судном, измеряя при этом скорость и сопротивление. При отсутствии подходящего буксирующего судна сопротивление полунатуры может быть измерено гидравлическим плоским цилиндром (мессдозой), вкладываемым между. транцем и ногой подвесного мотора, навешенного на транец.

Менее точно величина сопротивления может быть определена расчетным путем. Такой расчет основывается на результатах испытаний в опытовых бассейнах серии плоских и плоско-килеватых глиссирующих пластин. Каждая такая пластина представляет собой подобие днище глиссирующего судна. Глиссирующие пластины испытывают при различных скоростях буксировки, различных нагрузках и различных положениях центра тяжести по длине (центровках). При каждой буксировке измеряют сопротивление, угол дифферента и длину смоченной площади пластины. Результаты таких испытаний обработаны и изображены в виде диаграмм, по которым, зная нагрузку, ширину, угол килеватости и центровку, можно определить сопротивление, угол дифферента и смоченную длину днища для любой скорости хода. Расчет сопротивления, основанный на результатах испытаний глиссирующих пластин, дает наиболее точный результат для глиссеров с плоским или плоско-килеватым днищем цилиндрических обводов, так как такие обводы больше других похожи на обводы испытывавшихся глиссирующих пластин. Техника расчета не сложна, но требует определенных навыков и не всегда доступна любителю.

Однако постройка любительского прогулочного туристского или спортивного судна не всегда требует точного знания сопротивления. В большинстве случаев бывает достаточно лишь приближенно определить мощность, необходимую для того, чтобы данный глиссер имел заданную скорость, либо приближенно определить скорость, которую глиссер достигнет при имеющемся двигателе.

Для таких приближенных расчетов существует несколько формул, основанных на результатах испытаний реальных глиссеров с различными обводами. Некоторые из этих формул основаны на обработке результатов испытания серии моделей. Если проектируемый глиссер по своим обводам и условиям нагрузки близок к тем судам, на основании испытаний которых составлена формула, то может быть получен достаточно точный результат.

Первая диаграмма для выбора типа обводов. После определения необходимой ширины и водоизмещения. будущего судна и выбора желаемой скорости хода можно подобрать тип обводов, пользуясь диаграммой (рис. 22). Для этого следует вычислить величину

где

D — водоизмещение, т;

В — ширина, м;

и величину

где v — желаемая (предполагаемая) скорость хода, км/час.
Отыскав на горизонтальной шкале диаграммы вычисленное значение С, поднимаемся от него вверх до пересечения с горизонталью, проведенной из деления, соответствующего вычисленному значению FB. Положение точки пересечения вертикали и горизонтали укажет тип обводов, при которых можно добиться наилучших результатов.

Рис. 22. Диаграмма для первоначального выбора типа обводов при заданных ширине, водоизмещении и скорости хода.

I — область реданных остроскулых обводов; II — область безреданных остроскулых обводов: III — область круглоскулых обводов.

Следует иметь в виду, что суда, данные которых были использованы для построения диаграммы (рис, 22), относятся к числу более крупных быстроходных судов и имеют отношение длины к ширине LIB от 4 до 7, а положение центра тяжести — на расстоянии 35^-45% длины судна L от транца к носу.

Пример 1.
Предполагаем построить судно длиной L = = 6,0 м, шириной В — 1,5 м, водоизмещением D = 1,2 т; центр тяжести может быть расположен на расстоянии х — 2,3 м от транца; ожидаемая скорость хода v — 36 км/час.

Вычисляем:

Из деления 0,38 «а горизонтальной шкале проводим вертикаль до пересечения с горизонтальной прямой, проведенной из деления 2,59 вертикальной шкалы; точка лересечения этих двух прямых расположена в области реданных обводов.
Вторая диаграмма для выбора типа обводов.

Рис. 23. Диаграмма для выбора типа обводов при заданных длине, водоизмещении и скорости хода.

I — режим плавания; круглоскулые обводы; II — переходный режим; комбинированные
обводы или остроскулые с большим углом кнлеватости; III — режим глиссирования; без-
реданные остроскулые обводы с малым углом кнлеватостн; IV — режим глиссирования;
безредаиные или редаиные остроскулые обводы с малым углом кнлеватости.

На рис. 23 изображена условная кривая сопротивления судна, последовательно проходящего все три режима движения. При пользовании этой диаграммой для выбора типа обводов надо вычислить значение величин

где

v — предполагаемая скорость хода, м/сек; L — длина судна (м), выбранная по конструктивным соображениям;

V—полное водоизмещение судна, определенное по первоначальным расчетам, м3. Надпись на участке шкалы, на который попадает вычисленное значение, указывает ожидаемый режим и соответствующие ему обводы. Если же показания шкалы FL и FD различны, то это свидетельствует о том, что длина, водоизмещение и скорость плохо увязаны между собой и по крайней мере одну из этих трех величин следует изменить.

Пример 2.
Предполагаем, что скорость хода судна и будет около Ю м/сек; длину судна назначаем L = 5 м; водоизмещение по первоначальным подсчетам V = 2,5 м3.

1. Вычисляем величину

Значения, большее 1,28 по верхней шкале, соответствуют обводам для глиссирующих судов.

2. Вычисляем величину

Значение 2,74 на нижней шкале соответствует обводам для переходного режима. Отсюда следует, что одна >из величин нами выбрана неверно. Допустим, что мы можем уменьшать водоизмещение до V = 2,0 м3; при этом ожидаем, что скорость хода увеличится до 12 м/сек.

Тогда

Теперь значения обеих величин соответствуют обводам для режима глиссирования.

Совпадение режимов движения по обеим шкалам еще не означает, что выбранные значения водоизмещения V и длины L являются наиболее целесообразными.

У большинства хороших построенных катеров величины V и L являются такими, что значение

Диаграмма для первоначального выбора скорости хода, мощности двигателя и числа пассажиров прогулочных глиссеров.

На диаграмме (рис. 24) по горизонтали отложены значения мощности двигателя, предполагаемого к установке на судне, а по вертикали — значения скорости хода, которых может достигнуть судно. Каждая из кривых диаграммы относится к различным по своей вместимости прогулочным открытым деревянным судам глиссирующего типа. Эту диаграмму можно применять на первоначальной стадии проектирования, когда размеры судна еще не определены; диаграмма построена на основании данных, полученных на хороших катерах заводской постройки.

Рис. 24. Диаграмма для первоначального выбора, скорости и мощности и определения числа пассажиров.

Пример 3.
1. Задавшись мощностью моторе N = 60 л. с., проводим из соответствующего деления горизонтальной шкалы .вертикаль, пересекающую кривую, соответствующую катеру с тремя пассажирами; горизонталь, проведенная из точки пересечения, указывает на то, что катером может быть достигнута скорость около 50 км/час.

2. Задавшись числом пассажиров — 5 человек — и проводя из точек соответствующей кривой вертикали и горизонтали, находим скорости, которые могут быть достигнуты судном при двигателях различной мощности; например: при N=60 л. с. v = 47 км/час; при N=100 л. с. v — 52 км/час и т. д.

Диаграмма для определения потребной мощности двигателя, достижимой скорости хода и допустимого водоизмещения глиссеров. На рис. 25 приведены кривые, показывающие, какая скорость хода может быть достигнута глиссирующим катером, если на каждую лошадиную силу мощности двигателя будет приходиться столько-то килограммов водоизмещения. Такого рода диаграммы очень удобны для предварительного определения скорости хода, которая может быть достигнута при известных весе катера и мощности его двигателя. Такими диаграммами пользуются также для быстрой приближенной оценки качества глиссера. Для этого откладывают на диаграмме точку со значениями D/N и v для данного судна; если она находится выше кривой, то катер лучше, а если ниже — то хуже «средних» катеров, на основании которых построена кривая.

Рис. 25. Диаграмма для приближенного определения потребной мощности, водоизмещения и скорости прогулочных и туристских безреданных глиссирующих катеров.

1 — туристские катера водоизмещением D=0,8-2,0 т со стационарным двигателем; 2 — прогулочные катера водоизмещением D=0,25-0,8 т с подвесным мотором.

Однако такая диаграмма может и ввести в заблуждение, если неизвестно, для каких именно катеров она составлена: больших или малых, с большим или малым водоизмещением, с подвесным или стационарным двигателем. Например, как уже говорилось, наиболее выгодная для катера нагрузка может быть довольно значительно увеличена без особого ущерба для скорости хода; это значит, что для одного и того же катера получатся два разных значения D/N при одной и той же скорости.

На рис. 25 приведены две кривые D/N по v; нижняя относится к малым прогулочным безредан-ным глиссирующим катерам с мощным подвесным мотором, другая — к более тяжелым безреданным туристским глиссирующим катерам со стационарной установкой мощностью 50—100 л. с. Как те, так и другие катера относятся к числу наиболее удачных.

Диаграммами D/N по v можно пользоваться и для ориентировочного определения потребной мощности или для грубой оценки допустимого водоизмещения, если известны мощность и ожидаемая скорость хода.

Пример 4.
1. На катере со стационарной установкой предполагается поставить двигатель мощностью N = 45 л. с.; ориентировочно подсчитанное водоизмещение D = 900 кг. Какую скорость можно ожидать?

Вычисляем

Горизонталь, проведенная из деления 20 вертикальной шкалы, пересекает верхнюю кривую на рис. 25 в точке, соответствующей скорости 'хода v = 42 км/час.

2. Предполагается построить безреденный глиссер (мотолодку) с подвесным мотором, обладающий скоростью 30 мм/час; мощность мотора—10 л. с. Каким водоизмещением может обладать наш глиссер?

Из деления 30 горизонтальной шкалы проводим вертикаль до пересечения с нижней кривой; из точки пересечения проводим горизонталь; эта горизонталь совпадает с делением DIN = 32 на вертикальной шкале. Так как N = 10 л. с., то водоизмещение мотолодки может быть около D= 32 x N = 320 кг.

Формула для определения потребной мощности при заданных ширине и водоизмещении глиссера.

Если заданы ширина и водоизмещение безреданного или реданного глиссера обычных обводов, то мощность, потребная для достижения данной скорости хода, может быть определена по следующей формуле:

где С — коэффициент, значение которого определяется по рис. 26 или 27; D — водоизмещение глиссера, т; v — скорость хода, для достижения которой определяется мощность, км/час; В — ширина по скуле или по редану, м.

Пример 5.
Задано:

  1. Обводы безреданные.
  2. Ширина то скуле В = 1,6 м;
  3. Водоизмещение D = 1,1 т;
  4. Наибольшая скорость v = 40 км/час.

Решение

1. Для определения значения коэффициента С вычисляем величину

2. По рис. 26 находим, что значению 31,6 соответствует значение С = 0,095.

3. Вычисляем значение

4. Подставляем значения в формул/ для определения мощности:

Эта формула полезна тем, что позволяет в каждом конкретном случае выявить влияние изменения ширины и водоизмещения на потребную мощность.

Следует отметить, что указанная формула предусматривает очень высокий коэффициент полезного действия гребного винта, поэтому получаемые величины мощности следует несколько повышать. Так же поступают и при определении мощности для реданных глиссеров, используя для нахождения неличины С диаграмму на рис. 27.

Рис. 26. Диаграмма для определения коэффициента безреданных глиссеров.

Рис. 27. Диаграмма для определения коэффициента С реданных глиссеров.

Формула для приближенного определения скорости при заданных водоизмещении и мощности двигателя.

Эта формула позволяет, учитывая тип обводов глиссирующего судна, его водоизмещение и мощность, приближенно определить наибольшую достижимую скорость:

где v — наибольшая достижимая скорость хода,
км/час;

D — водоизмещение судна, кг;

N — мощность установленного двигателя, л. с.;

С — коэффициент, имеющий различное значение в зависимости от типа обводов:
для малых прогулочных безреданных глиссеров С=113;

для однореданных глиссеров С=130;
для трехточечных гоночных глиссеров С=152.

Пример 6.
Прогулочный глиссер, безреданиый, водоизмещением D = 1200 кг. Мощность мотора N = 45 л. с.

Требуется определить наибольшую возможную скорость:

Boatportal.ru

logo