КАТАМАРАН Российский патент 1994 года по МПК B63B1/12 

Изобретение относится к судостроению, а именно к многокорпусным судам, оборудованным подводными крыльями.

Известен катамаран, включающий два корпуса, симметричных или асимметричных относительно собственной продольной плоскости и соединенных между собой палубой, и установленные между корпусами крылья, одно из которых, главное разгружающее крыло, расположено вблизи центра масс катамарана, а два другие дифферентовочные крыла - в корме, причем суммарная подъемная сила крыльев приложена в точке рядом с центром масс катамарана, а площадь проекции главного разгружающего крыла в 3-5 раз больше суммарной площади проекций всех дифферентовочных крыльев [1].

Недостатком известного катамарана является то, что при движении в основном режиме, когда подъемная сила достигает максимальной величины, корпуса значительно выходят из воды, что приводит к снижению стабилизирующих свойств корпусов и, вследствие этого, к неустойчивому по курсу движению катамарана, а, кроме того, из-за незначительного снижения ботовой, килевой и вертикальной качки возникают значительные ударные перегрузки, особенно на большом волнении.

Известен также катамаран, включающий два корпуса, симметричных или асимметричных относительно собственной диаметральной плоскости и соединенных между собой палубой, причем между этими корпусами ниже ватерлинии установлено не менее трех крыльев, два дифферентовочных из которых размещены соответственно под носовой и кормовой оконечностями катамарана, а по крайней мере одно среднее разгружающее крыло расположено между двумя вышеуказанными [2].

Имеющаяся система крыльев позволяет уменьшить сопротивление воды движению катамарана и увеличить расстояние между уровнем воды и нижней частью палубы и тем самым исключить возможность замывания водой палубы. Однако известный катамаран обладает невысокими мореходными качествами, в результате чего высокие скорости движения, показываемые на тихой воде, существенно снижаются при движении даже на незначительном волнении, а недостаточное снижение амплитуды бортовой, килевой и вертикальной качки приводит к возникновению ударных перегрузок, возникающих на волнении повышенной бальности.

Целью изобретения является повышение ходовых и мореходных качеств и снижение ударных перегрузок при движении на волнении за счет уменьшения амплитуды бортовой, килевой и вертикальной качки.

Цель достигается тем, что в катамаране, содержащем два корпуса, симметричных или асимметричных относительно собственной диаметральной плоскости и соединенных между собой палубой, причем между этими корпусами ниже ватерлинии установлено не менее трех крыльев, два дифферентовочных из которых размещены соответственно в носовую и кормовую оконечности катамарана, а по крайней мере одно среднее разгружающее крыло расположено между двумя вышеуказанными, носовое и кормовое дифферентовочные крылья удалены от центра масс катамарана по его длине на расстояния, равные соответственно не менее 30% и не менее 20% от длины корпуса катамарана, а точка приложения подъемной силы по крайней мере одного среднего крыла удалена в сторону носовой оконечности катамарана от его центра масс на расстояние, равное 5-20% длины корпуса катамарана.

Носовое крыло выполнено V-образным или трапецеидальным в плоскости шпангоута и с углом килеватости его наклонных элементов не менее 10^о.

Носовое крыло установлено по высоте с возможностью расположения над свободной горизонтальной поверхностью тихой воды или под этой поверхностью и соответственно с высотой возвышения или глубиной погружения, равной не более половины его хорды.

Носовое крыло выполнено с упрочняющими элементами в виде распорок или стоек. Упрочняющие элементы выполнены профилированными с возможностью возникновения на них при погружении в воду на ходу подъемной силы.

Учитывая, что для скоростных судов - катамаранов применяются корпуса с высоким гидродинамическим качеством
K = > 10 , где D - водоизмещение судна; R - сопротивление движению, необходимо применить крыльевую систему, гидродинамическое качество которой будет не ниже, чем у катамарана в целом. В противном случае сопротивление движению на тихой воде катамарана с крыльями-стабилизаторами будет выше, чем у катамарана без них.

Гидродинамическое качество корпусов зависит от величины нагрузки. При этом для каждой формы корпуса существует оптимальное значение нагрузки, при котором гидродинамическое качество достигает максимума. Испытания в опытовом бассейне, проведенные с разной степенью разгрузки корпусов, позволяют установить оптимальную долю нагрузки, которую должны нести крылья. Обеспечение оптимальной степени разгрузки достигается правильным выбором размеров, профиля крыла, расстоянием между крыльями, а также их установкой по высоте. С учетом изложенных соображений можно добиться гидродинамического качества катамарана со стабилизаторами не ниже, чем без стабилизаторов.

В результате испытаний корпусов с различными обводами установлено, что практически во всех случаях оптимальная степень разгрузки при движении с максимальной расчетной скоростью на тихой воде достигает 60-70% от полного веса судна, при эксплуатационной скорости хода на тихой воде, которая примерно на 10% ниже максимальной расчетной, разгрузка составит 50-55%, а на расчетном волнении - 20-40% полного веса катамарана.

Установка стабилизаторов позволяет получить новое существенное качество: возможность иметь несложные по конструкции органы регулирования, подъемной силы, поддерживающей корпуса при движении со скоростью F_rд > 1,0.

Эту возможность можно использовать для решения вопроса стабилизации килевой и вертикальной качки, снижения ударных перегрузок. При этом следует учитывать, что движение на расчетном волнении осуществляется со скоростями, в 1,5-2,0 раза меньшими, чем скорости движения на тихой воде. Подъемная сила, возникающая на крыльях, пропорциональна квадрату скорости, т.е. уменьшается в 2-4 раза. Однако рациональным размещением крыльев, четким определением функционального назначения каждого крыла и использованием конструктивных особенностей скоростных катамаранов можно добиться эффективной стабилизации параметров килевой и вертикальной качки, снижения перегрузок при получении относительно высокой скорости хода на волнении.

По функциональному назначению крылья распределены на две группы: дифферентующая и разгружающая. В отличие от известных решений, в патентуемом решении предусмотрены одно разгружающее крыло или группа и два дифферентовочных крыла - носовое и кормовое и дано проверенное при испытаниях в бассейне распределение нагрузки между крыльями.

Установка двух дифферентовочных крыльев позволяет создавать постоянный стабилизирующий момент независимо от направления угла килевой качки в продольной плоскости: при погружении кормы возрастает подъемная сила на кормовом крыле и уменьшается (или совершенно исчезает) на носовом. При погружении носа - наоборот. Расположение дифферентовочных крыльев на возможно большем расстоянии приводит к увеличению плеча восстанавливающего момента. Регулированием степени загрузки крыла и установкой их по длине достигается оптимальная величина восстанавливающего момента.

Учитывая, что носовое дифферентующее крыло работает, как правило, в тяжелых условиях из-за того, что при движении суда имеют определенный ходовой дифферент, способствующий улучшению ходовых качеств. Крыло при движении на тихой воде или полностью выходит из воды, или незначительно заглублены его отдельные элементы, а при движении на волнении оно периодически оголяется. Погружение в воду сопровождается ударными нагрузками. Поэтому целесообразно незначительно загрузить носовое дифферентовочное крыло, облегчив решение вопроса обеспечения прочности.

Выполненные расчеты, а затем испытания в опытовом бассейне показали, что носовое дифферентовочное крыло должно нести нагрузку 5-15% от полного веса корпуса и располагаться на расстоянии не ближе 30% длины корпуса в нос от центра масс (ЦМ) судна, а кормовое крыло - 10-15% от полного веса судна и располагаться не ближе 20% длины корпуса в корму от центра масс судна.

Кормовое крыло, находясь в относительно оптимальных условиях работы (постоянно погружено, расположено между корпусами), при движении на тихой воде выполняет также функции разгрузки веса судна, способствуя уменьшению сопротивления.

Наиболее нагруженным целесообразно сделать среднее крыло (или группу крыльев), основное назначение которых - разгрузка веса судна при движении на тихой воде с уменьшением амплитуды вертикальной качки при движении на волнении. Результаты испытаний показывают, что оптимальная нагрузка на среднее крыло составляет 15-30% от полного веса корпуса. Увеличение нагрузки усложняет решение проблемы прочности, а уменьшение снижает эффективность работы этого крыла.

Установка крыла по длине помимо учета взаимодействия с носовым и кормовым дифферентовочными крыльями, определяется следующими обстоятельствами.

Установка крыла в центре (ЦМ) позволяет практически исключить его влияние на дифферент и параметры килевой качки, сосредоточив его работу на выполнении основных функций: разгрузки и стабилизации вертикальной качки; с другой стороны, при движении на волнении, когда судну приходиться встречаться со случайными волнами, превосходящими расчетные, может оказаться недостаточной эффективностью носового дифферентовочного крыла, возможны значительные наклонения и погружения носовой оконечности судна. Целесообразно среднее крыло сдвинуть на небольшое расстояние, чтобы его подъемная сила была приложена в точке 5-20% длины корпуса в нос от ЦМ, чтобы создать постоянный момент, дифферентующий судно на корму, обеспечив дополнительную страховку от погружения носовой оконечности при движении на волнении. Испытания в опытовом бассейне показали надежную работу патентуемой схемы при движении на волнении. Среднее крыло может быть заменено группой крыльев, расположенных по длине судна (тандем) или по высоте (этажерка), но при выполнении условия: равнодействующая подъемная сила всех крыльев средней группы должна располагаться в точке, отстоящей на 5-20% длины корпуса в нос от ЦМ.

Если среднее крыло (или группа крыльев) могут быть выполнены сравнительно простой конструкции: плоские или с небольшой до 10^окилеватостью, то условия работы носового крыла требуют принятия специальных конструктивных мер, обеспечивающих надежность его работы при движении на волнении.

Оптимальной является V-образная форма крыла с углом килеватости наклонных элементов не менее 10о, а также трапецевидная, с небольшим по протяженности горизонтальным участком (2 хорды) и наклонными элементами с углом килеватости не менее 10^о.

По высоте носовое крыло располагается таким образом, чтобы его нижняя точка выходила из воды или была погружена в воду при движении на тихой воде со скоростями, близкими к максимальным, на расстоянии не более половины хорды. В состав конструкции носового крыла входят элементы в виде распорок или стоек, которые способствуют обеспечению прочности крыла. Распорки и стойки могут быть выполнены профилированными, обеспечивая при вхождении в воду возникновение дополнительной подъемной силы.

На фиг. 1 изображен катамаран по линии ДР с симметричными корпусами, продольный разрез; на фиг.2 - разрез катамарана по ВЛ; на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.

Катамаран состоит из двух корпусов 1, выполненных симметрично или асимметрично собственной продольной плоскости и соединенных между собой палубой 2. Поперек между корпусами 1 ниже ватерлинии (ВЛ) установлены три или более крыла, два из которых являются дифферентовочными и располагаются: одно из них в носу - крыло 3, другое в корме - крыло 4. Среднее крыло 5 или группа средних крыльев (обозначены штриховыми линиями на фиг.1) являются разгружающими и расположены между носовым и кормовым крыльями. Носовое дифферентовочное крыло 3 установлено на расстоянии не менее 30% длины корпуса в нос от центра масс (ЦМ) катамарана, а кормовое дифферентовочное крыло 4 - не менее 20% длины корпуса в корму от центра масс (ЦМ) катамарана. Все крылья выполнены таким образом, что суммарная подъемная сила, возникающая на всех крыльях при движении катамарана с максимальной расчетной скоростью на тихой воде, достигает 60-70%, а на расчетном волнении - 20-40% полного веса катамарана, при этом на носовое дифферентовочное крыло 3 приходится 0,05-0,15 долей от полного веса катамарана, на среднее разгружающее крыло 5 или группу средних разгружающих крыльев - 0,15-0,30 долей от полного веса катамарана, а на кормовое дифферентовочное крыло 4 - 0,10-0,25 долей от полного веса катамарана.

Среднее разгружающее крыло 5 или группа средних разгружающих крыльев расположена так, чтобы суммарная подъемная сила, возникающая на них, была расположена в нос от центра масс (ЦМ) катамарана на расстоянии 5-20% длины корпуса. Это будет приводить к созданию дополнительного дифферентовочного момента, способствующего снижению килевой качки на волнении. Оптимальной формой выполнения носового дифферентовочного крыла 3 является V-образная или трапециевидная форма с углом килеватости наклонных элементов не менее 10^о. Носовое дифферентовочное крыло 3 установлено на носовой такой высоте, что при движении на тихой воде со скоростями, близкими к максимальной, нижняя точка крыла 3 была бы расположена выше или ниже горизонтальной поверхности воды на величину не более половины его хорды. Поскольку носовое крыло 3 испытывает значительные ударные нагрузки, особенно при волнении, то его выполняют с дополнительными упрочняющими элементами (на чертежах не показано) в виде распорок или стоек, которые выполняются определенного профиля для того, чтобы при погружении в воду на ходу на них возникала дополнительная подъемная сила.

При движении на тихой воде в режиме максимальной скорости хода за счет подъемной силы, возникающей в крыльях-стабилизаторах, компенсируется добавочное сопротивление, создаваемое ими, а также уменьшается замытая поверхность корпусов.

Это же имеет место при движении на волнении с пониженной скоростью, когда компенсация добавочного сопротивления от установки крыльев происходит за счет снижения амплитуд килевой и вертикальной качки и, как следствие, уменьшения сопротивления корпусов при движении на волнении.

При вертикальных перемещениях корпусов (вертикальная качка) происходит "погружение-всплытие" крыльев, что приводит к "возрастанию - уменьшению" подъемной силы, причем к возрастанию при погружении и уменьшению при всплытии, снижая тем самым амплитуды вертикальных колебаний.

При колебаниях судна относительно поперечной оси (килевая качка) поочередно носовое 3 и кормовое 4 крылья оказываются вблизи свободной поверхности, в то время как другое - на значительном углублении. Возникает стабилизирующий момент, способствующий уменьшению амплитуд килевой качки. Среднее крыло 5, расположенное относительно близко к ЦМ, практически не оказывает влияния на углы килевой качки, однако его смещение в нос от ЦМ способствует созданию дополнительного дифферента на корму, обеспечивающего дополнительную страховку на случай, если носовое крыло в определенный момент при большом волнении (волна превышает расчетную высоту) не дает достаточного эффекта.

Таким образом, выполнение катамарана патентуемой конструкции позволяет снизить амплитуды бортовой, килевой и вертикальной качки и тем самым уменьшить ударные перегрузки и повысить ходовые и мореходные качества катамарана.

Использование: изобретение относится к многокорпусным судам, оборудованным подводными крыльями. Сущность изобретения: катамаран состоит из двух корпусов, выполненных симметрично или асимметрично собственной диаметральной плоскости и соединенных между собой палубой. Между корпусами ниже ватерлинии установлено не менее трех крыльев, два дифферентовочных из которых размещены соответственно в носовую и кормовую оконечности катамарана, а по крайней мере одно среднее разгружающее крыло расположено между двумя вышеуказанными. Носовое и кормовое дифферентовочные крылья удалены от центра масс катамарана по его длине на расстояния, равные соответственно не менее 30% и не менее 20% длины корпуса катамарана, а точка приложения подъемной силы по крайней мере удалена в сторону носовой оконечности катамарана от его центра масс на расстояние, равное 5-20% от длины корпуса катамарана. При движении на волнении и вертикальных перемещениях корпусов (вертикальная качка) происходит погружение-всплытие, что приводит к возрастанию-уменьшению подъемной силы, причем к возрастанию - при погружении и уменьшению - при всплытии, снижая тем самым амплитуды вертикальных перемещений. При колебаниях судна относительно поперечной оси (килевая качка) поочередно носовое или кормовое крыло оказывается вблизи свободной поверхности, в то время как другое - на значительном углублении. Возникает стабилизирующий момент, способствующий уменьшению амплитуд килевой качки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КАТАМАРАН, содержащий два корпуса, симметричных или асимметричных относительно собственной диаметральной плоскости и соединенных между собой палубой, причем между этими корпусами ниже ватерлинии установлено не менее трех крыльев, два дифферентовочных из которых размещены соответственно под носовой и кормовой оконечностями катамарана, а по крайней мере одно среднее разгружающее крыло расположено между двумя выше указанными, отличающийся тем, что носовое и кормовое дифферентовочные крылья удалены от центра масс катамарана по его длине на расстояния, равные соответственно не менее 30 и 20% от длины корпуса катамарана, а точка приложения подъемной силы по крайней мере одного среднего крыла удалена в сторону носовой оконечности катамарана от его центра масс на расстояние, равное 5-20% длины корпуса катамарана. 2. Катамаран по п.1, отличающийся тем, что его носовое крыло выполнено V-образным или трапецеидальным в плоскости шпангоута и с углом килеватости его наклонных элементов не менее 10^o. 3. Катамаран по п.1, отличающийся тем, что его носовое крыло установлено по высоте с возможностью расположения над свободной горизонтальной поверхностью тихой воды или под этой поверхностью и соответственно с высотой возвышения или глубиной погружения, равной не более половины его хорды. 4. Катамаран по п.1, отличающийся тем, что носовое крыло выполнено с упрочняющими элементами в виде распорок или стоек. 5. Катамаран по п. 4, отличающийся тем, что упрочняющие элементы выполнены профилированным с возможностью возникновения на них при погружении в воду на ходу подъемной силы.