Надводное однокорпусное водоизмещающее быстроходное судно
Изобретение относится к судостроению и касается конструирования однокорпусных быстроходных судов. Судно имеет носовой бульб корпуса, успокоитель бортовой качки, скуловые кили и вертикальную килевую наделку в корме. Корпус выполнен с наибольшей шириной по конструктивной ватерлинии в корме. Соотношение кормовой и носовой частей этой ватерлинии относительно линии, проходящей через середину длины конструктивной ватерлинии, составляет 2 - 3. Форма каждой из двух симметричных относительно диаметральной плоскости половин конструктивной ватерлинии имеет четыре характерных участка. Наибольшая осадка корпуса судна находится в районе носовой оконечности. Линия диаметральной плоскости в днищевой части, проведенная через точки притыкания продолжений линий шпангоутов к диаметральной плоскости, представляет собой плавную S-образную кривую от первой точки до предпоследней. Вертикальная килевая наделка судна имеет подъем своей килевой линии в сторону кормовой оконечности. Судно имеет носовое крыло площадью не более 2% площади конструктивной ватерлинии. Крыло состоит из двух симметрично расположенных побортно горизонтальных консолей. Каждая консоль 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. Технический результат реализации изобретения заключается в одновременном снижении сопротивления движению судна, оказываемого водной средой в диапазоне чисел Фруда 0,35 - 0,60, и уменьшении интенсивности продольной качки. 5 ил.
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.
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; lб - показатель длительности судна;
- коэффициент продольной полноты; rб - 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 (Sк) и носовой (Sн) 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 Fr = 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 Sк и носовой Sн 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 Sб
0,4
max и tб/bб
0,80, где Sб - площадь поперечного сечения носового бульба в его наиболее полной части, tб - наибольшая высота бульба, bб - 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 Fr= 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 Sн КВЛ по сравнению с кормовой Sк, 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 (tб < bб), 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 lк и осадке tк; 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 Sк и носовой Sн 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 Sб
0,4
max, (
max - площадь погруженной по КВЛ части наиболее полного шпангоута), отношение наибольшей высоты бульба (tб) к наибольшей ширине бульба (bб)-tб/bб
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 lк 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 tб (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 Fr= 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 Fr=0,30; на 43% при Fr= 0,40; на 33% при Fr=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 Fr= 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 Fr=0,31).
Формула изобретения

, второй участок представляет собой дугу окружности радиуса
где L - длина судна по конструктивной ватерлинии;
= L/B;k = 1,04-0,10(
-4,0) при 4,40

9,0 и k = 1,0 при 2,0

4,40,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 Sб
0,4
max, и tб / bб
0,80, где Sб - площадь поперечного сечения носового бульба в его наиболее полной части,
max - площадь погруженной по конструктивную ватерлинию части наиболее полного шпангоута, tб - наибольшая высота бульба, bб - 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.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
















