Устройство стабилизации движения надводного однокорпусного водоизмещающего быстроходного судна с системой автоматического управления

Полезная модель относится к судостроению и касается устройств, стабилизирующих движение с целью уменьшения волнового сопротивления движению корпуса судна, уменьшения крена при движении на циркуляции, уменьшения килевой, бортовой и вертикальной качки судна при сохранении ходкости в условиях спокойной воды, а также улучшения характеристик управляемости судна. Полезная модель в наибольшей степени проявляет эффект при использовании на корпусах быстроходных судов с малой полнотой обводов, с U-образными формами шпангоутов, с удлинением корпуса _корп=L/B7 и с острыми клиновидными носовыми образованиями корпусов. Суть полезной модели заключается в установке в кормовой части корпуса судна подводного крыла (стабилизатора), снабженного закрылками, управляемыми от системы автоматического управления движением, размахом, равным ширине корпуса в кормовой части и закрепленного на диаметральной вертикальной наделке и бортовых стойках на глубине около 0,3-0,9d, где d - осадка судна. Площадь крыла составляет около 5% от площади конструктивной ватерлинии. Крыло имеет авиационный симметричный профиль. Технический результат реализации полезной модели заключается в одновременном снижении сопротивления в условиях сильного волнении в диапазоне чисел Фруда 0,25-0,6, уменьшении интенсивности килевой и вертикальной качки и уменьшении крена на циркуляции без снижения ходкости на спокойной воде как за счет естественных стабилизирующих гидродинамических сил, так и более эффективных гидродинамических сил от применения механизации крыльевого устройства, а также в повышении курсовой устойчивости быстроходных судов.

Полезная модель относится к судостроению и касается устройств, стабилизирующих движение с целью уменьшения сопротивления движению корпуса судна, уменьшения крена при движении на циркуляции, а также уменьшения килевой, бортовой и вертикальной качки судна.

Проблема усовершенствования стабилизирующих устройств указанного назначения особенно актуальна для быстроходных судов с различными, характерными для них формами корпуса.

В наибольшей степени заявляемое техническое решение проявляет эффект при использовании на корпусах быстроходных судов с малой полнотой обводов, с U-образными формами шпангоутов, с удлинением корпуса _корп=L/B7 и с острыми клиновидными носовыми образованиями, в составе которых рассматривается и преимущественно предполагается к использованию.

Известно устройство в виде носового подводного крыла, установленного на носовом бульбе однокорпусного быстроходного судна с идентичными вышеописанным обводами корпуса, а именно клиновидными носовыми образованиями и с наибольшей шириной корпуса в корме, с целью уменьшения килевой и вертикальной качки (патент RU 2155693, МПК B63B 1/04, 1/06, 1/08, 39/06, опубликовано 10.09.2000).

Недостатком этой конструкции является то, что консоли носового крыла имеют небольшое удлинение (меньше единицы) и значительную толщину в корневом сечении, что снижает его эффективность. Носовое расположение крыла при клиновидном носе не позволяет применить крыло большого удлинения из-за отсутствия возможности установки дополнительных опор. Для крепления крыла и механизма привода необходимо наличие бульба, который дает надбавку к полному сопротивлению корпуса.

Кроме этого, расположенное в носовой части такого корпуса крыло подвержено возможным повреждениям при швартовных операциях и ограничивает судоводителя в возможности безопасного маневрирования.

Также известно принятое за прототип устройство для управления дифферентом, уменьшения килевой и вертикальной качки корпуса судна с клиновидным носом, узким корпусом и плоским днищем в кормовой части (патент RU 2437797, МПК B63B 1/06, 39/06, 1/18, опубликовано 27.12.2011, бюлл. 22). Данное устройство представляет собой два горизонтальных стабилизатора с каждой стороны диаметральной плоскости, рассчитанных на создание подъемной силы аналогично подводным крыльям. Каждый горизонтальный стабилизатор закреплен на двух вертикальных стабилизаторах, в свою очередь прикрепленных к корпусу судна.

Признаками рассматриваемого стабилизирующего устройства в виде подводного крыла (стабилизатора), совпадающими с признаками заявляемого технического решения, являются:

- расположение его в кормовой части,

- наличие в составе устройства профилированного крыла для создания демпфирующего момента по дифференту,

- наличие в составе устройства вертикальных стабилизаторов (стоек), служащих для стабилизации движения судна на курсе и предотвращения рысканья и выполняющих роль опор для крыла.

Недостатками конструкции рассматриваемого устройства является то, что оно расположено на стойках ниже килевой линии корпуса подобно судну на подводных крыльях и тем самым увеличивает осадку кормой и оказывается подверженным возможному повреждению при эксплуатации как любая выступающая часть судна, например, при посадке на мель; расположенные побортно относительно диаметральной плоскости горизонтальные стабилизаторы имеют небольшое удлинение по сравнению с устройством согласно заявляемому техническому решению, а значит и меньшее гидродинамическое качество; каждый из входящих в состав устройства горизонтальных стабилизаторов при этом закрепляется по концам на двух вертикальных стабилизаторах, что влечет за собой повышение сопротивления движению в отличие от заявляемого технического решения, согласно которому крыло гармонично вписано в конструкцию корпуса.

Недостатком описанных выше устройств по отношению к заявляемому решению* согласно которому предусмотрена возможность создания дополнительного дифферентующего момента за счет применения механизации стабилизирующего устройства, является возможность уменьшения килевой и вертикальной качки, устранения излишнего ходового дифферента только за счет естественных стабилизирующих гидродинамических сил.

В качестве полезной модели рассматривается устройство стабилизации движения судна, выполненное в виде кормового подводного крыла, закрепленного на вертикальной диаметральной наделке и стойках, отличающееся от прототипа:

- непрерывностью плоскости крыла на протяжении от борта до борта,

- наличием V-образности крыла для уменьшения крена на циркуляции,

- расположением крыла выше основной плоскости;

- наличием механизации крыла в виде отклоняемых закрылков, управляемых системой автоматического управления движением.

Предлагаемое устройство стабилизации проявляет максимальный полезный эффект при движении судна на взволнованной поверхности.

Целью предполагаемой полезной модели является устранение отмеченных недостатков, имеющихся у аналогов, и получение нового дополнительного эффекта от применения устройства стабилизации движения (кормового подводного крыла), оснащенного системой автоматического управления.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является улучшение эксплуатационно-технических показателей быстроходных судов в части улучшения управляемости, повышения мореходных качеств, а также экономических свойств судов.

Техническим результатом, обеспечиваемым полезной моделью, является снижение сопротивления движению корпуса судна, уменьшение килевой, вертикальной и бортовой качки судна, уменьшение крена при движении на циркуляции,

Указанный технический результат достигается тем, что устройство стабилизации в виде кормового крыла располагается в кормовой, наиболее широкой части корпуса, выше основной плоскости судна (килевой линии) и ограничено шириной корпуса, благодаря чему меньше подвержено возможности повреждения. Крыло закреплено на вертикальной диаметральной наделке корпуса (на киле) и на профилированных бортовых стойках, что уменьшает изгибающие моменты, возникающие на крыле, позволяя увеличить его удлинение, способствуя улучшению курсовой устойчивости судов с узкими корпусами, имеющими острые клиновидные обводы носовой части.

Для уменьшения крена судна на циркуляции крыло выполнено с умеренной V-образностью консолей. Угол V-образности (или килеватости) может находиться в диапазоне 5°-20°.

Крыло имеет авиационный симметричный профиль одинаковый по размаху крыла, площадь крыла составляет около 5% от площади конструктивной ватерлинии корпуса, размах крыла соответствует ширине корпуса, хорда крыла одинакова по всему размаху.

С целью эффективного уменьшения килевой и бортовой качки и стабилизации движения в целом крыло оснащается механизацией в виде закрылков, с возможностью отклонения на углы до ±20°, располагаемых побортно и управляемых системой автоматического управления движением. Закрылки представляют собой поверхность, расположенную в хвостовой части крыла, в нерабочем положении вписанную в профиль крыла и занимающую 0,15-0,4 хорды крыла, в рабочем положении отклоняемую к верху и к низу в пределах 20°. Отклонение закрылка происходит относительно оси, зафиксированной вдоль плоскости крыла и связанной с этой плоскостью.

Закрылки управляются исполнительным механизмом системы автоматического управления. Суть работы системы автоматического управления заключается в следующем: при получении судном дифферента на нос в условиях волнения с датчика дифферента поступает сигнал на исполнительный механизм закрылка кормового крыла для создания восстанавливающего момента и приведения носовой оконечности в нулевой дифферент. После возвращения носовой оконечности в нулевой дифферент исполнительный механизм приводит закрылок в нейтральное положение. При получении дифферента на корму работа системы автоматического управления аналогична.

Заявляемое устройство стабилизации оснащено механизацией в виде управляемых закрылков, работающей от системы автоматического управления движением, вследствие чего создание стабилизирующих гидродинамических сил возможно не только в зависимости от положения корпуса судна, за счет естественных стабилизирующих гидродинамических сил, но и благодаря использованию системы автоматического управления, позволяющей отклонять управляющие поверхности на нужный угол, уменьшая килевую и бортовую качку и улучшая мореходные качества и параметры управляемости судна.

Система автоматического управления с целью повышения эффективности ее работы дополнительно оснащается устройством прогнозирования, которое включает в себя датчик волнения и программу на основе вероятностного прогнозирования высот волн в направлении движения судна. При этом датчик волнения накапливает информацию о волнении, которая обрабатывается программой вероятностного прогнозирования. После обработки программа выдает прогнозные данные о волнении в ближайшем времени, которые поступают на исполнительные механизмы закрылков с целью упреждения килевой или бортовой качки.

Суть предлагаемого технического решения поясняется эскизами расположения крыла (фиг. 1, 2, 3) и графиками, полученными путем буксировочных испытаний моделей с кормовым крылом и без крыла в опытовом бассейне (фиг. 4, 5, 6, 7). Буксируемые модели имели корпуса, выполненные по гидродинамической схеме быстроходных судов, характеризующейся следующими особенностями:

- острыми прямолинейными ватерлиниями в носовой части с углом притыкания к ДП около 4°-5°,

- расположением наибольшей ширины корпуса в кормовой части,

- соотношением площадей кормовой Sк и носовой Sн частей конструктивной ватерлинии относительно ее середины оставляющим Sк/Sн=2-3,

- наличием в кормовой части корпуса S-образных батоксов, начинающих свой подъем от миделя и притыкающихся к транцу на высоте около конструктивной ватерлинии под углом 0-5° относительно плоскости конструктивной ватерлинии.

На фиг. 1 представлен боковой вид расположения подводного крыла на кормовой части корпуса. На боковом виде (фиг. 1) изображены: корпус 1, плоскость подводного крыла 2, бортовая стойка 3, конструктивная ватерлиния 4, килевая линия 5, линия вертикальной диаметральной наделки (киля) 6, линия притыкания днища к килю 7.

На фиг. 2 представлен вид на кормовое крыло со стороны кормы, на котором указаны: угол V-образности (килеватости) консолей , размах крыла L, шпангоут корпуса в плоскости расположения крыла.

На фиг. 3 представлены вид снизу на подводное крыло, установленное на кормовой части корпуса и сечение крыла. На видах (фиг. 3) изображены: плоскость подводного крыла 2, бортовая стойка 3, плоскость закрылка 8, ось вращения закрылка 9, ось нейтрального положения закрылка 10, ось рабочего положения закрылка 11, половина ширины корпуса - B/2, хорда крыла b, угол отклонения закрылков .

На фиг. 4 и 5 приведены графики зависимости коэффициента полного сопротивления от числа Фруда для корпуса судна без кормового крыла (условно названного исходным судном) и с ним в условиях спокойной воды и волнения 6 баллов соответственно. Указанные зависимости были определены в ходе испытаний буксируемой модели судна по гидродинамической схеме для быстроходных судов, описанной выше, в опытовом бассейне в условиях спокойной воды и регулярного волнения. Модель, закрепленная на буксировочной тележке опытового бассейна, двигалась по полкам скоростей в условиях тихой воды и моделируемого волнения. При этом записывались параметры движения модели с устройством стабилизации и без него такие, как сопротивление движению, размахи и частоты килевой и вертикальной качки. Из рассмотрения графиков видно, что сопротивление на спокойной воде практически не меняется при наличии или отсутствии подводного крыла. В условиях сильного волнения сопротивление меньше на 10-18% в рассматриваемом диапазоне чисел Фруда при наличии подводного крыла за счет получения оптимального ходового дифферента.

На фиг. 6 и 7 приведены размахи килевой 2A и вертикальной 2A_h качки в зависимости от числа Фруда при наличии и отсутствии подводного крыла для волнения 6 баллов. Из рассмотрения этих кривых видно, что при наличии крыла размахи килевой качки уменьшаются на 15-40%, вертикальной качки на 15-45% в рассматриваемом диапазоне чисел Фруда.

Работа устройства стабилизации движения заключается в следующем: быстроходное судно, выполненное по описанной выше гидродинамической схеме, при движении на тихой воде и взволнованной поверхности приобретает излишний дифферент на корму от воздействия на его корпус гидродинамических сил и моментов. По этой причине корпус судна испытывает дополнительное сопротивление движению. Предлагаемое устройство стабилизации движения в виде механизированного кормового подводного крыла более эффективно устраняет возникновение излишнего ходового дифферента и приводит ходовой дифферент к оптимальному с точки зрения уменьшения сопротивления (фиг 4, 5).

Физическая сущность работы кормового подводного крыла заключается в том, что при движении судна поток, набегающий на крыло, создает подъемную силу, необходимую для создания дифферентующего момента на нос. В случае, если дифферентующего момента недостаточно, система автоматического управления, оснащенная датчиками дифферента, отклоняет управляющие поверхности на угол атаки, необходимый для создания достаточного дифферентующего момента. Поскольку возникающие на крыле гидродинамические силы оказываются больше тех, что дифферентуют корпус судна на корму, ходовой дифферент судна принимает оптимальное значение на расчетной скорости, за счет подбора угла отклонения закрылков системой автоматического управления

При движении на взволнованной поверхности набегающие волны создают возмущения в носовой части судна, создавая килевую качку, т.е. судно получает дифферент на корму и на нос. Поскольку крыло-стабилизатор жестко установлено на корпусе судна, оно тоже отслеживает дифферент судна изменением угла атаки, но в связи с тем, что крыло-стабилизатор установлено в кормовой части судна, гидродинамические силы, возникающие при качке создают момент противодействующий изменению дифферента судна, т.е. оказывает демпфирующее действие на килевую качку. Механизация крыла-стабилизатора управляемая системой автоматического управления закрылками значительно увеличивают демпфирующие свойства судна вплоть до стабилизации килевой и вертикальной качки. (фиг. 6, 7).

При движении на циркуляции судно движется со скольжением, при этом консоль крыла, находящаяся на внутреннем по отношению к повороту борту находится в гидродинамической тени и практически не создает подъемной силы по причине наличия V-образности. Как известно, при движении на циркуляции судно приобретает крен на внешний борт по отношению к повороту. Поскольку при циркуляции поток, набегающий на консоль крыла на этом борту, приобретает некоторый угол к диаметральной плоскости судна, угол атаки крыла физически увеличивается за счет V-образности и консоль работает эффективнее. Оснащение крыла механизацией в виде закрылков, управляемых системой автоматического управления позволяет отклонять управляющие поверхности правого и левого бортов в противоположных направлениях, добавляя восстанавливающий момент при циркуляции.

1. Устройство стабилизации движения надводного однокорпусного водоизмещающего быстроходного судна, выполненное в виде кормового подводного крыла (стабилизатора), отличающееся тем, что оно расположено выше основной плоскости (килевой линии) корпуса и снабжено закрылками с системой автоматического управления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кормовое крыло (стабилизатор) имеет V-образность консолей в диапазоне 5-20°.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью улучшения курсовой устойчивости и уменьшения массы крыла, оно имеет дополнительные опоры в виде бортовых профилированных стоек.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система автоматического управления оснащена системой прогнозирования волнения.