Сопротивление выступающих частей быстроходного судна

В.В.Вейнберг, 3.Ф.Черняк «Катера и яхты» №2 (72) март-апрель 1978г

 

Обычно в проектных расчетах сопротивление выступающих частей малых быстроходных судов учитывают, добавляя 10—15% к со­противлению голого корпуса. Одна­ко с ростом относительных скоростей движения доля этой составляющей в полном сопротивлении судна резко возрастает, особенно па судах, осна­щенных угловыми колонками или под­весными моторами. Так (рис. 1), если при скорости 35 км/ч сопротивление подводной части подвесного мотора «Вихрь» снижает его упор на 10%, то при скорости 75 км/ч уже весь упор винта будет расходоваться толь­ко не преодоление сопротивления мотора, т. е. полезная тяга упадет до нуля.

Ниже приводятся справочные дан­ные для оценки величины сопротивле­ния выступающих частей и результа­ты расчетов сопротивления для неко­торых марок отечественных подвес­ных моторов; эти сведения могут быть полезны как конструкторам бы­строходных глиссирующих катеров и мотолодок, так и спортсменам водномоторникам, работающим над довод­кой своих судов.

Полное сопротивление выступаю­щих частей R_вч того или иного те­ла (стойки, руля, наклонного вала) можно условно разделить на про­фильное и брызговое:

 

R_вч=R_пр+R_бр

 

Можно допустить, что профильное сопротивление зависит от размеров, формы и качества обработки поверх­ности тела, а брызговое — в основном от максимальной толщины попереч­ного сечения тела в районе пересече­ния им поверхности воды (рис. 2).

Величина профильного сопротив­ления с достаточной точностью опре­деляется формулой

R_пр =С_х*q*Ώ

или для тел, форма которых разби­вается на отдельные, характерные элементы,

R_пр= С_х1*Ώ₁₊ С_х2*Ώ₂ … С_хn*Ώ_n

где Сх — коэффициент профильного сопротивления тела, обтекаемого во­дой, отнесенный к максимальной пло­щади поперечного сечения Q, м2;

q=(p*v²)/2 — скоростной напор на­бегающей воды, кгс/м2 (р = 102 кгс*с2/м4 — массовая плотность воды, v — скорость движения, м/с);

С_х1, Ώ₁— коэффициенты про­фильного сопротивления и площади соответствующих поперечных сечений отдельных элементов, составляющих обтекаемое тело сложной формы.

На рис. 3 и 4 приведены значения коэффициентов профильного сопро­тивления для стоек и тел вращения обтекаемой формы в режиме отсутст­вия кавитации и в суперкавитирующем режиме, когда обтекание тела в районе хвостика профиля носит уже отрывной характер и за телом обра­зуется развитая парогазовая каверна. Скорость, при которой наступает ре­жим суперкавитации и становятся эффективными суперкавитационные вентилируемые профили, спе­циально рассчитываемые на прорыв воздуха в каверну из атмосферы, ориентировочно можно оценить по рис. 5.

Для «тонких» — имеющих t/l<0,1 стоек, плавников (или антикавитационных пластин подвесных моторов) величина полного сопротивле­ния определяется, как для пластин:

R^пл=S_тр*S_см*((p*v²)/2)

где S_тр — коэффициент трения пла­стины; S_см — полная смоченная по­верхность пластины, м2.

Для интересующего нас диапазона скоростей (20—25 м/с) коэффициент трения пластины, имеющей реальную шероховатость поверхности, может быть определен по рис. 6 в зависимо­сти от длины пластины или сечения тонкого профиля.

Снижение сопротивления высту­пающих частей является важным ре­зервом повышения скорости. Следует добиваться всемерного уменьшения площадей поперечных сечений нахо­дящихся и воде детален, снижения коэффициентов сопротивления (за счет улучшения профилировки, выбо­ра оптимальных удлинений сечений), снижения сопротивления трения пу­тем тщательной обработки поверхно­сти.

Рис. 1

Тяга гребного винта Ре и сопротивление подводной части подвесного мотора “Вихрь” R_b ч в зависимости от скорости движения.

 

Рис. 2

Зависимость величины брызгового сопротивления стоек и валов, пересекающих поверхность воды, от максимальной толщины их поперечного сечения t и скорости V. 

 

Рис. 3

Значения коэффициента профильного сопротивления стойки в зависимости от соотношения t/l.

1 — невентилируемая стойка; 2 — вентилируемая стойка. 

 

Рис. 4

Значение коэффициент а профильного  сопротивления тел вращения в зави­симости от соотношения d/l.

1 — невентилируемое тело; 2 — вевтилируемое тело.

 

Рис. 5

Скорости, соответствующие началу суперкавитации (вентиляции) на стойках и телах вращения.

1 — стойки; 2—тела вращения.

Рис. 6

Значения коэффициента трения пластины S в зависимости от ее длины с надбавкой на реальную шероховатость. 

 

Рис. 7

Оптимальное удлинение тел вращения и стоек.

1 — стойка; 2—тело вращения; 3— область применения суперкавитациоивых (вентилируемых) профилей.

Для оценки эффективности ука­занных путей снижения сопротивле­ния приведем несколько примеров. Так, отмечено, что полировка подвод­ной части подвесного мотора умень­шает профильное сопротивление на 10% (это 5—7% полного сопротивле­ния) по сравнению с серийным испол­нением. Еще более высокие результа­ты дает выбор правильной профили­ровки.. По некоторым данным, пере­ход на профили серий ЦАГИ-В или NACA-16 может привести к уменьше­нию величины Сх в 1,3—1,5 раза.

Путь снижения сопротивления вы­ступающих частей за счет максималь­ного сокращения их поперечного се­чения и применения оптимального уд­линения обычно оказывается очень сложным, поскольку эти вопросы связаны непосредственно с конструк­цией редуктора, элементами валопровода, прочностью кронштейнов и т. п. Оптимальное решение дают только совместные усилия конструкторов, механиков и гидродинамиков, на­правленные на получение максималь­ного пропульсивного качества всего движительно-моторного) комплекса при заданном скоростном режиме.

Практически при выборе профиля подводных частей стоек и обтекате­лей редукторов можно воспользовать­ся данными табл. 1 и 2 и рис. 7.

Еще один способ эффективного снижения сопротивления выступаю­щих частей — сокращение площади их поперечного сечения за счет умень­шения глубины погружения. Этот путь возможен, например, при ис­пользовании частично погруженных винтов (ЧПВ) и уже широко приме­няется спортсменами водномоторниками.

Правильно выбрать глубину по­гружения движительного комплекса, однако, довольно сложно, так как от нее прямо зависят эффективность ЧПВ (снижение к. п. д. по сравнению с полностью погруженным винтом), подача охлаждающей воды при ис­пользовании серийных подводных ча­стей подвесных моторов, вибрацион­ные нагрузки при работе ЧПВ и, сле­довательно, требования к прочности гребных валов и кронштейнов. Кро­ме того следует иметь в виду, что уменьшение погружения винта далеко не всегда обеспечивает снижение со­противления. Так, при некоторых ва­риантах погружения подводной части подвесного мотора из-за увеличения толщины поперечных сечений, пере­секающих поверхность воды, и соот­ветствующего значительного роста брызгового сопротивления величина общего сопротивления подлодной ча­сти не снижается, а может возрасти настолько, что использование ЧПВ окажется неэффективным.

Для оценки полного сопротивле­ния подводной части подвесного мо­тора в зависимости от его погружения (при осевом обтекании редукто­ра) на рис. 8, а — е приведены соот­ветствующие данные для ряда моде­лей отечественных моторов. На гра­фиках учтено возникновение венти­ляционного обтекания отдельных эле­ментов подводных частей при высо­ких скоростях движения. Для расчета сопротивления подводной части на интересующей нас скорости величину удельного сопротивления (полное сопротивление, отнесенное к скоростно­му напору), снятую с кривых при за­данном погружении мотора, следует умножить на скоростной напор, соот­ветствующий скорости.

Пример 1. Определим сопро­тивление подводной части мотора «Москва-30», установленного на лод­ке, движущейся в режиме глиссирования со скоростью 50 км/ч (v=13,9 м/с) при погружении антикавитационной плиты на 20 мм ниже уровня днища.

В соответствии с рис. 8, б на этой скорости обтекание будет носить бескавитационный характер, а величина удельного сопротивления (по кривой 1) составит 20*10^-4. Умножив эту величину на скоростной напор, для скорости 50 км/ч равный

Q=(102(13,9)²)/2=9900кгс/м²

получим полное сопротивление

R=R/q=20*10^-4*9900=19.8кгс

Пример 2. Определим сопроти­вление мотора «Ветерок-12», установ­ленного на спортивной мотолодке, движущейся со скоростью 60 км/ч (и = 16,7 м/с). Для уменьшения со­противления лодки мотор значитель­но поднят: при движении его анти-кавитационная плита находится выше уровня воды на 50 мм.

По рис. 8, а с кривой для скоро­стей в диапазоне 45/80 км/ч сни­маем R/q = 7,5 *10^-4. Скоростной на­пор для v = 16,7 м/с, составит 14200 кгс/м2.

Сопротивление воды движению подводной части мотора равно

R=(7,5 *10^-4)14200=10.6кгс

Как видно из графиков, минималь­ное сопротивление достигается, когда обтекатель редуктора выходит из во­ды. Это, однако, в ляде случаев не­осуществимо, так как не обеспечи­вается подача охлаждающей воды, невозможно использовать гребной винт оптимальных для номинальной частоты вращения двигателя пара­метров. Чаще применяют такие ва­рианты установки мотора, при кото­рых обтекатель редуктора и утолще­ния стойки находятся под поверх­ностью воды.

Исследование формы отдельных элементов подводных частей подвес­ных моторов позволяет сделать сле­дующие выводы:

около 15—20% полного сопро­тивления составляет сопротивление козырька газовыхлопа;

крайне нежелательно увеличе­ние толщины стоек в районе пересе­чения поверхности воды, имеющееся,
например, на моторах «Ветерок»;

минимальным удельным сопро­тивлением среди наших моторов на 20—30 л. с. обладает подводная часть
мотора «Привет-22» (на скорости 50—55 км/ч это снижение сопротив­ления по сравнению, например, с
«Нептунами», позволяет экономить 1—1,5 л. с. мощности двигателя);

наименьшее относительное со­противление (отнесенное к мощности мотора) при погружении антикавитационной плиты на 20 мм под поверх­ность имеют моторы «Москва-25» и «-30»;

для моторов «Ветерок», «Неп­тун», «Вихрь-М» скорость, при кото­рой начинается вентиляция отдель­ных элементов подводной части, не превышает 45 км/ч. Отрывное обте­кание  этих элементов на больших
скоростях вызывает существенный прирост удельного сопротивления вы­ступающих частей и приводит к по­тере эффективного упора на 5—7%.

Следует заметить, что подводные части современных зарубежных мото­ров в большинстве случаев лишены отмеченных недостатков. Для них ха­рактерны очень тонкие стойки, при­менение обтекателей      редукторов (имеющих минимальные размеры), от­сутствие козырьков газовыхлопа, тщательная профилировка всех эле­ментов подводной части, высокое ка­чество обработки поверхности. Это позволяет уменьшить удельное сопро­тивление подводных частей этих мо­торов примерно на 20—25%, что в конечном итоге при скоростях движе­ния 50—55 км/ч позволяет повысить эффективную тягу мотора на 5—7%.

Сказанное выше о важности сни­жения сопротивления выступающих частей справедливо и для малых бы­строходных судов со стационарными двигателями.

Подводная часть угловых откид­ных колонок обычно полностью иден­тична подводной части подвесного мотора; для оценки сопротивления ее вполне приемлемы рассмотренные выше методы.

На катерах с обычным движительно-рулевым комплексом выступаю­щими частями являются наклонный гребной вал, кронштейны гребного вала и руль, сопротивление которых можно подсчитать по приводимым графикам. С точки зрения уменьше­ния сопротивления выступающих ча­стей исключительно важен рацио­нальный выбор «диаметра вала, кон­струкции кронштейиов и подшипников гребного вала, а также уменьшение их погруженной площади сечения при применении ЧПВ.

При расчетах за относительное удлинение профиля наклонного греб­ного вала следует принимать величину (t/l = sin a), где a — угол наклона гребного вала, а за площадь поперечного сечения — площадь про­екции вала на плоскость мидель-шпангоута.

Сопротивление руля (рулей) мо­жет достигать 40% полного сопроти­вления всех выступающих частей катера. Кроме того следует учитывать, что рули, расположенные непосредст­венно в спутном потоке за гребным винтом, дают дополнительное сопро­тивление, вызванное увеличением ско­рости их обтекания.

Форму и площадь пера руля обыч­но выбирают исходя из требований к поворотливости катера. Однако надо иметь в виду, что для обеспечения устойчивости движения катера на прямом курсе площадь руля может быть существенно меньше (в некото­рых случаях катера имеют достаточ­ную устойчивость движения вообще без руля). Вполне очевидно, что воз­можность уменьшения площади руля позволила бы значительно снизить сопротивление катера на прямом курсе. Наиболее простым способом уменьшения площади пера руля на ходу является его подъем из воды.

Существует, например, несколько схем подъемных рулей. В одной из интересных конструкций используют­ся два подъемных руля, заранее раз­вернутых в противоположные стороны на соответствующий угол относитель­но диаметральной плоскости катера. На прямом курсе оба руля подняты и находятся в воздухе. Для поворота один из рулен опускается в воду, причем боковая сила на нем (и диа­метр циркуляции) регулируется вели­чиной погруженной площади — глу­биной погружения пера руля. Погру­жение подобных рулей может осу­ществляться поворотом пера вокруг горизонтальной или наклонной оси либо вертикальным опусканием и т. п. Управление рулями может осуществ­ляться одним штурвалом, однако ки­нематическая схема привода при этом получается более сложной, чем для обычного руля с вертикальным баллером. Поэтому в других схемах для упрощения конструкции подъем руля осуществляется самостоятельным ме­ханизмом (в этом случае по требова­ниям безопасности он обязательно должен быть хотя бы самовозврат­ным!).

Как показали проведенные ходо­вые испытания, установка подъемных рулей позволила увеличить скорость спортивного катера класса S1 с 75 до 82 км/ч, а глиссеров R2 и R4 со 110 до 125 и со 130 до 150 км/ч соответ­ственно.