СУДНО НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1996 года по МПК B63B1/26 

Изобретение относится к судостроению и может быть реализовано при строительстве судов на подводных крыльях (СПК).

Известно судно на подводных крыльях, содержащее корпус и прикрепленные к несу носовое и кормовое крылья посредством бортовых стоек [1] Однако оно имеет низкую мореходность и высокое гидродинамическое сопротивление.

Известно судно на подводных крыльях, содержащее корпус с носовым крылом и прикрепленным к этому корпусу кормовым крылом посредством бортовых и днищевых стоек [2] Однако оно имеет низкую мореходность и высокое гидродинамическое сопротивление.

Технический результат изобретения состоит в повышении мореходности и снижении гидродинамического сопротивления.

Оно достигается при первом варианте тем, что каждая бортовая стойка кормового крыла спрофилирована в своих поперечных сечениях по форме несимметричных крыльевых профилей и обращена засасывающей поверхностью к соответствующей концевой части этого крыла на участке от ватерлинии эксплуатационной скорости и выше, а также выполнена с углом обратной поперечной V-образности, равным 45-80^о.

Кроме того, части бортовых стоек кормового крыла, имеющие несимметричный профиль поперечных сечений, выполнены с положительным установочным углом по отношению к диаметральной плоскости судна.

Кроме того, части бортовых стоек кормового крыла, имеющие несимметричный профиль поперечных сечений, выполнены с положительной геометрической круткой.

Кроме того, части бортовых стоек кормового крыла, имеющие несимметричный профиль поперечных сечений, выполнены с кривизной средней линии этого профиля, увеличивающейся по высоте в направлении к корпусу судна.

Кроме того, нижняя часть каждой бортовой стойки, примыкающая к плоскости кормового крыла, выполнена с увеличенной хордой профиля поперечного сечения, выступающей за заднюю кромку этого крыла, а ее профиль выполнен с кривизной засасывающей поверхности на участке от передней кромки стойки до задней кромки плоскости кормового крыла, меньшей, чем минимальная кривизна самих стоек.

Кроме того, оно выполнено с днищевыми стойками кормового крыла, нижние части которых под ватерлинией эксплуатационной скорости выполнены с симметричным профилем поперечных сечений и с их установочными углами по отношению к диаметральной плоскости судна, отличными от установочных углов верхних частей днищевых стоек, которые выполнены с несимметричным профилем их поперечных сечений.

При втором варианте технический результат достигается тем, что нижние части днищевых стоек кормового крыла, находящиеся ниже ватерлинии эксплуатационной скорости, выполнены с симметричным профилем поперечных сечений и с их установочными углами по отношению к диаметральной плоскости судна, отличными от установочных углов верхних частей днищевых стоек, выполненных с несимметричным профилем их поперечных сечений.

На фиг. 1 изображено предложенное судно, вид сбоку; на фиг.2 разрез по А-А на фиг.1; на фиг.3 то же, при наличии непрофилированных бортовых стоек; на фиг. 4 разрез Б-Б на фиг.2; на фиг.5 то же, с увеличенной хордой нижней части бортовых стоек, примыкающей к плоскости кормового крыла; на фиг.6 разрез по В-В фиг.3; на фиг.7 вид по стрелке Г на фиг.5; на фиг.8 разрез по А-А на фиг.1 при движении судна в крыльевом режиме с креном; на фиг.9 судно при движении на циркуляции, вид сверху.

Приняты следующие обозначения: 1 корпус СПК; 2 носовое крыло; 3 бортовая стойка правого борта; 4 бортовая стойка левого борта; 5 кормовое крыло; 6 нижняя часть бортовой стойки (3) (4) с увеличенной хордой; 7 участок днищевой стойки с несимметричным профилем; 8 участок днищевой стойки с симметричным профилем; 9 центр масс; α установочный угол бортовых стоек по отношению к диаметральной плоскости; α₁ установочный угол верхней части днищевых стоек; α₂ установочный угол нижней части днищевых стоек; β угол обратной поперечной V-образности; V_о скорость движения; γ_ст угол дрейфа судна в районе центра масс; γ_ц угол дрейфа судна в районе бортовой стойки кормового крыла; θ угол крена судна; Д гидродинамическая сила.

Судно на подводных крыльях (фиг.1) имеет корпус 1, к которому прикреплено носовое крыло 2 и посредством бортовых стоек 3 и 4 прикреплено кормовое крыло 5. Если бортовые стойки 3 и 4 пристыкованы к плоскости кормового крана 5 в непосредственной близости (по высоте) от ватерлинии (ВТ) эксплуатационной скорости, то они целиком выполнены с несимметричным крыльевым профилем, обращенным засасывающей стороной к концам крыла (фиг.2).

Если бортовые стойки кормового крыла 3 и 4 пристыкованы к плоскости кормового крыла 5 под ватерлинией эксплуатационной скорости, то несимметричный профиль, обращенный засасывающей стороной к концам крыла, имеют только верхние, расположенные выше ватерлинии участки, в то время как находящиеся под ватерлинией нижние участки имеют симметричный профиль, как это показано на примере участков 7, 8 днищевых стоек (фиг.2, 3, 6). Бортовые стойки 3 и 4 имеют угол обратной поперечной V-образности β в пределах 45^о < β < 80^о.

Эксплуатация судна при первом его варианте осуществляется следующим образом.

При появлении угла крена судна, движущегося в крыльевом режиме, например, на правый борт, как показано на фиг.8, бортовая стойка 3 кормового крыла 5 с накрененной стороны входит в воду. Из-за несимметричной профилировки на ней возникает гидродинамическая сила Д, перпендикулярная плоскости этой стойки 3 и направленная в сторону крена. Так как эта сила Д приложена кормовее центра масс 9 СПК, создаваемый ею момент стремится развернуть судно по курсу на левый борт, т.е. в сторону противоположную накрененной. Учитывая, что при крене любого СПК за счет перераспределения гидродинамических сопротивлений по ширине в сторону накрененного борта возникает момент, уводящий его с курса в сторону крена, можно сделать вывод, что возникающая на бортовой стойке гидродинамическая сила Д у СПК уменьшает крен и препятствует развороту судна, т.е. улучшает его курсовую устойчивость. Бортовые стойки 3 и 4 кормового крыла 5, имеющие углы обратной поперечной V-образности β не создают вертикальной топящей силы, если угол крена θ не превысит угла 90^о β (фиг. 8). В качестве максимального угла крена целесообразно принять допускаемый правилами Региста угол 12^о в переходном режиме и 8^о к крыльевому, поэтому у СПК наибольший угол обратной поперечной V-образности бортовых стоек кормового крыла должен составлять величину от 78 до 82^о. В этом случае бортовые стойки с несимметричной профилировкой у СПК по изобретению не создадут топящей силы, препятствующей устранению угла крена, т.е. будут способствовать ухудшению поперечной устойчивости, как это имеет место у известного судна.

С другой стороны, известно, что критические углы атаки, при которых у крыла, пересекающего поверхность воды, происходит срыв потока, уменьшаются с уменьшением угла наклона крыла. Имеет место также уменьшение несущей способности наклонного крыла особенно интенсивное при углах поперечной V-образности меньших 45^о ( β < 45^о). Таким образом, при угле обратной поперечной V-образности бортовых стоек с несимметричной профилировкой меньших β < 45^о с учетом уменьшения критических углов атаки для получения необходимой несущей способности пришлось бы резко увеличить их площадь (в 2 раза при β 15^о; в 1,4 раза при β 30^о и только в 1,15 раза при β 45^о), что также резко увеличило бы их гидродинамическое сопротивление и вероятность появления срывных явлений. Поэтому угол обратной поперечной V-образности бортовых стоек кормового крыла с несимметричным профилем, засасывающая поверхность которого обращена к концам крыла, у СПК по изобретению не должен быть меньше 45^о, т.е. весь диапазон этих углов предпочтительно ограничить пределами β_min 45^о и β_max 80^о (45^o ≅ β ≅ 80^o).

При движении судна, выполненного согласно изобретению на волнении прямыми курсами бортовые стойки кормового крыла мало влияют на продольную устойчивость, так как они имеют большие углы обратной поперечной V-образности. За счет этого уменьшается величина пикирующего момента от взаимодействия с крупными волнами, сводящаяся, практически, к нулю при угле обратной поперечной V-образности стоек β ≈ 80^о. В то же время, при боковых возмущениях на волнении повышении курсовой устойчивости за счет бортовых стоек кормового крыла благоприятно влияет на стабилизацию бокового движения.

Участки бортовых стоек кормового крыла с несимметричной профилировкой 3, 4 (фиг. 2), находясь выше ватерлинии эксплуатационной скорости, не создают дополнительного гидродинамического сопротивления.

Выбор установочного α угла бортовых стоек кормового крыла по отношению к диаметральной плоскости (ДП) судна положительным α ≥ 0^о (фиг.4) позволяет за счет увеличения гидродинамической подъемной силы, возникающей на бортовых стойках, повысить остойчивость и курсовую устойчивость судна.

Для повышения эффективности на больших углах крена участки бортовых стоек кормового крыла с несимметричной профилировкой могут иметь положительную геометрическую крутку за счет увеличения установочных углов α по высоте в направлении к корпусу судна. С этой же целью может быть использована гидродинамическая крутка за счет увеличения кривизны средней линии профиля этих стоек также в направлении по высоте к корпусу судна.

При высокой эксплуатационной скорости или больших установочных углах α бортовых стоек 3 и 4 и углах атаки кормового крыла 5 нижние части этих стоек 6, примыкающие к стыку с плоскостью кормового крыла 5, для уменьшения величины разрежения в стыке, выполняются с меньшей кривизной засасывающей поверхности от передней кромки стойки 3 и 4 до задней кромки плоскости кормового крыла 5, как это показано на фиг.5. На этом участке хорда стойки увеличивается за счет участков, находящихся за задней кромкой кормового крыла, для замыкания ее несимметричного профиля с кривизной, достаточной для обеспечения бессрывного обтекания заднего участка, как это показано на фиг.5 и фиг. 6.

Если по каким-то соображениям необходимо повысить прочность плоскости кормового крыла с одновременным повышением остойчивости (которой недостаточно только выполнением бортовых стоек с несимметричным профилем), то в судно для крепления кормового крыла дополнительно вводятся днищевые стойки, которые стыкуются с плоскостью кормового крыла под ватерлинией эксплуатационной скорости, но они выполняются из двух участков, как показано на фиг.3. Верхний участок 7 имеет несимметричный профиль, обращенный засасывающей стороной к концам крыла, расположен выше ватерлинии, а нижний участок 8 с симметричным профилем ниже ватерлинии. Их установочные углы α₁ и α₂ различны, как показано на фиг. 3 и фиг.6. Установочный угол α₂ нижнего участка 8 стойки выбирается из условия минимального гидродинамического сопротивления при эксплуатационной скорости судна, а α₁ из условия обеспечения необходимого восстанавливающего момента.

При движении судна на циркуляции со скоростью V_o с внешним креном на бортовой стойке кормового крыла с накрененного борта возникает гидродинамическая сила Д, направленная на увеличение угла дрейфа γ кормового крыла, т.е. улучшающая маневренность СПК (фиг.9) и создающая восстанавливающий момент по крену, как это показано на фиг.8. Ввиду того, что угол дрейфа в районе стоек кормового крыла γ_ст. больше угла дрейфа в районе центра масс γ_ц. и подчиняется зависимости:
γ_ст.= γ_ц+ где I_ст. отстояние стойки от центра масс по длине;
R_ц радиус траектории центра масс при циркуляции.

Установочный угол α стоек с несимметричным профилем в сумме с углом нулевой подъемной силы для создания положительного эффекта должен быть больше, чем угол дрейфа γ_ст. в районе стоек кормового крыла (фиг.9). Таким образом, чем ближе кормовое крыло к центру масс, как например в схеме "утка", тем меньший установочный угол α стойки к диаметральной плоскости нужен для улучшения маневренности. Это, в свою очередь, способствует и уменьшению реакции стоек кормового крыла судна на увеличение угла дрейфа при возмущениях по дрейфу и крену в сторону, противоположную дрейфу на прямых курсах. Вместе с тем, повышенная скорость на циркуляции стоек кормового крыла с внешнего борта, обусловленная большим радиусом ее траектории, улучшает маневренные качества судна.

Сущность изобретения по второму варианту заключается в следующем. Известны суда, у которых кормовое крыло крепится к корпусу с помощью обычных (с симметричной профилировкой) бортовых и днищевых стоек. Выполнение в такой конструкции судна (содержащем корпус, носовое крыло и кормовое крыло, прикрепленное к корпусу посредством бортовых и днищевых стоек), нижней части днищевых стоек кормового крыла, находящихся ниже ватерлинии эксплуатационной скорости, с симметричным профилем и установочным по отношению к ДП судна углом α₂ отличным от установочного угла верхней части днищевых стоек α₁ по отношению к ДП, выполненных с несимметричной профилировкой, позволяет улучшить при необходимости остойчивость судна. Такой вариант конструкции судна изображен на фиг.3.

Эксплуатация судна при втором варианте выполнения осуществляется аналогично первому варианту.

При появлении угла крена судна, движущегося в крыльевом режиме, днищевая стойка 7 с накрененной стороны входит в воду. Из-за несимметричной профилировки на ней возникает гидродинамическая сила Д, перпендикулярная плоскости этой стойки и направленная в сторону крена. Так как гидродинамическая сила приложена кормовее центра масс 9 судна, создаваемый ею момент стремится развернуть судно по курсу в сторону, противоположную накрененной, т.е. улучшает его курсовую устойчивость. Установочные углы участков 7, 8 днищевых стоек α₁ и α₂ различны (фиг.6) и выбираются из условия минимального гидродинамического сопротивления (угол α₂ ) и из условия обеспечения необходимого восстанавливающего момента (угол α₁ ).

При движении такого судна на циркуляции с внешним креном на днищевой стойке кормового крыла с накрененного борта возникает гидродинамическая сила Д, направленная на увеличение угла дрейфа γ кормового крыла, т.е. улучшающая маневренность СПК (фиг.9) и создающая восстанавливающий момент по крену.

Таким образом, данное судно в любом из его вариантов имеет преимущество перед известными практически по всем параметрам динамики движения, особенно если его крыльевая система относится к типу "утка". В этом случае также появляется возможность обеспечения необходимой остойчивости при меньшем размахе кормового крыла.

Лишь на прямых курсах при крене в сторону, противоположную дрейфу, возникающая на стойках реакция может привести к увеличению дрейфа. Однако наличие дрейфа в этом случае уменьшает угол атаки стоек накрененного борта на величину угла дрейфа, снижая их неблагоприятное влияние на курсовую устойчивость. Повышение курсовой устойчивости СПК по изобретению при рассматриваемом боковом возмущении способствует перераспределению гидродинамического сопротивления в сторону накрененного борта, а поперечная устойчивость может быть улучшена с помощью увеличения плеча гидродинамической силы, возникающей на стойках описываемого судна, например, при использовании схемы "утка".

Использование: изобретение относится к судостроению, а именно к судам на подводных крыльях. Сущность заключается в том, что судно выполнено с несимметричной профилировкой бортовых стоек кормового крыла, расположенных выше ватерлинии эксплуатационной скорости, угол обратной поперечной V-образности бортовых стоек выбран в пределах 45 - 80^o в сочетании с положительным установочным углом стоек с несимметричным профилем по отношению к диаметральной плоскости судна. Положительная геометрическая крутка имеется у частей бортовых стоек с несимметричным профилем. Кривизна средней линии несимметричного профиля бортовых стоек увеличивается по высоте в направлении к корпусу судна. Нижняя часть бортовых стоек, примыкающая к плоскости крыла, выполнена с увеличенной хордой, выступающей за заднюю кромку крыла. Профиль на засасывающей поверхности на участке от передней кромки стойки до задней кромки плоскости кормового крыла имеет меньшую кривизну, чем минимальная кривизна самих стоек. Днищевые стойки с несимметричным профилем расположены выше ватерлинии и выполнены с симметричной профилировкой их части днищевых стоек ниже этой ватерлинии, при разных углах наклона к диаметральной плоскости. Второй вариант изобретения характерен тем, что при наличии у судов обычных (симметричных) бортовых стоек кормового крыла имеются днищевые стойки с несимметричным участком выше ватерлинии эксплуатационной скорости и симметричным ниже этой ватерлинии скорости, с разными установочными углами нижней симметричной и верхней несимметричной частей днищевых стоек по отношению к диаметральной плоскости. 2 с. и 5 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Судно на подводных крыльях, содержащее корпус и прикрепленные к нему носовое и кормовое крылья посредством бортовых стоек, отличающееся тем, что каждая бортовая стойка кормового крыла спрофилирована в своих поперечных сечениях по форме несимметричных крыльевых профилей и обращена засасывающей поверхностью к соответствующей концевой части этого крыла на участке от ватерлинии эксплуатационной скорости и выше, а также выполнена с углом обратной поперечной V-образности, равным 45 80^o. 2. Судно по п.1, отличающееся тем, что части бортовых стоек кормового крыла, имеющие несимметричный профиль поперечных сечений, выполнены с положительным установочным углом по отношению к диаметральной плоскости судна. 3. Судно по пп.1 и 2, отличающееся тем, что части бортовых стоек кормового крыла, имеющие несимметричный профиль поперечных сечений, выполнены с положительной геометрической круткой. 4. Судно по пп.1 3, отличающееся тем, что части бортовых стоек кормового крыла, имеющие несимметричный профиль поперечных сечений, выполнены с кривизной средней линии этого профиля, увеличивающейся по высоте в направлении к корпусу судна. 5. Судно по пп.1 4, отличающееся тем, что нижняя часть каждой бортовой стойки, примыкающая к плоскости кормового крыла, выполнена с увеличенной хордой профиля поперечного сечения, выступающей за заднюю кромку этого крыла, а ее профиль выполнен с кривизной засасывающей поверхности на участке от передней кромки стойки до задней кромки плоскости кормового крыла меньшей, чем минимальная кривизна самих стоек. 6. Судно по п.5, отличающееся тем, что оно выполнено с днищевыми стойками кормового крыла, нижние части которых под ватерлинией эксплуатационной скорости выполнены с симметричным профилем поперечных сечений и с их установочными углами по отношению к диаметральной плоскости судна, отличными от установочных углов верхних частей днищевых стоек, которые выполнены с несимметричным профилем их поперечных сечений. 7. Судно на подводных крыльях, содержащее корпус с носовым крылом и прикрепленным к этому корпусу кормовым крылом посредством бортовых и днищевых стоек, отличающееся тем, что нижние части днищевых стоек кормового крыла, находящиеся ниже ватерлинии эксплуатационной скорости, выполнены с симметричным профилем поперечных сечений и с их установочными углами по отношению к диаметральной плоскости судна, отличными от установочных углов верхних частей днищевых стоек, выполненных с несимметричным профилем их поперечных сечений.