БЫСТРОХОДНОЕ СУДНО Российский патент 2001 года по МПК B63B1/20 

Изобретение относится к судостроению, более конкретно оно касается конструирования быстроходных судов, оборудованных управляемыми интерцепторами и предназначенных для движения в переходном режиме и в режиме глиссирования.

В настоящее время быстроходные суда с системой управляемых интерцепторов находят все большее применение в судостроении. Так, например, из патента РФ 2108259 (B 63 B 1/20, опубл. 10.04.98) известно быстроходное судно, оборудованное кормовыми автоматически управляемыми интерцепторами. Такие интерцепторы выдвигаются из-за кормового среза днища и имеют обычно высоту 0,005 - 0,025 ширины днища в месте их установки. Кормовой срез днища быстроходного судна выполняется в виде редана (уступа) с высотой не менее высоты интерцепторов и сдвинут вперед от транца на величину, равную 5 - 15-ти кратной высоте интерцептора. Хотя данное техническое решение и позволяет упростить конструкцию устройства и уменьшить массу интерцепторов, однако при уборке интерцепторов за обводы днища на переходных режимах движения возникают вихревые течения. Переходные режимы характеризуются относительной скоростью хода в пределах от 1,0 до 1,5, определяемой числом Фруда по водоизмещению. Возникающие вихревые течения вызывают в свою очередь сильные вибрации интерцепторов из-за того, что в их приводах имеются люфты и элементы крепления интерцепторов имеют ограниченную жесткость.

Наиболее близким аналогом изобретения из числа известных судов является быстроходное судно, описанное в патенте РФ 2108258 (B 63 B 1/18, опубл. 10.04.98), которое выбрано в качестве прототипа. Известное судно содержит корпус со скулообразным обводом и установленные заподлицо с днищем интерцепторы. Корпус судна выполнен с днищевым реданом, переходящем на скуле в бортовой редан с высотой, уменьшающейся до нуля выше стояночной ватерлинии. При этом интерцепторы выполнены автоматически управляемыми и размещены за днищевым реданом. Бортовые реданы служат в конструкции судна для обеспечения поступления воздуха в зареданное днищевое пространство с целью образования за днищевым реданом устойчивой воздушной каверны. Кроме того, наличие бортового редана уменьшает вредное влияние вихревых потоков на интерцепторы на переходных режимах движения. Бортовой редан позволяет также оторвать поток от борта для образования каверны.

Однако использование бортового редана лишь частично ослабляет вредное влияние вихревых течений на убранные интерцепторы и не решает эту проблему в целом. Эффективность бортового редана зависит от его высоты: чем выше редан, тем выше его эффективность. При этом увеличение размеров редана усложняет конструкцию корпуса и приводит к весовым потерям. Необходимо также учитывать, что оборудование уже построенных и эксплуатируемых судов бортовыми реданами является сложной и дорогостоящей проблемой.

Патентуемое изобретение направлено на существенное снижение вредного влияния вихрей, образующихся при схождении потока с кромки днищевого редана, на интерцепторы, расположенные за реданом.

Решение этой задачи позволит упростить конструкцию корпуса и уменьшить его массу за счет частичного либо полного исключения бортового редана, а также упростить технологию изготовления за счет снижения требований к зазорам в подвижных соединениях привода интерцепторов.

Данный технический результат обеспечивается тем, что быстроходное судно содержит корпус со скулообразными обводами и килевым днищем с носовыми и/или кормовыми реданами, за которыми установлены управляемые интерцепторы, выполненные с возможностью выдвижения из-за среза днища, при этом, согласно настоящему изобретению, в зареданном пространстве днища с зазором относительно интерцепторов со стороны кормы установлена по меньшей мере одна антивихревая перегородка. Высота такой перегородки не превышает высоту редана.

Преимущественно антивихревая перегородка выполняется в виде пластины. Пластина жестко закрепляется на днище в зареданном пространстве с помощью книц.

В случае выполнения интерцепторов, антивихревой перегородки и днища из различных металлов или сплавов, при соприкосновении которых возникает электрохимическая коррозия, антивихревую перегородку электроизолируют от днища и/или от интерцепторов.

В предпочтительном варианте исполнения антивихревую перегородку либо сборку таких перегородок устанавливают в зареданном пространстве от скулы одного борта корпуса до скулы противоположного борта.

Кроме того, рабочая поверхность интерцепторов предпочтительно выполняется в форме выпуклой цилиндрической поверхности. Интерцепторы преимущественно устанавливаются с возможностью поворота с помощью штанг относительно опор, закрепленных на днище корпуса.

Патентуемое изобретение поясняется примером конкретного выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых изображено:
на фиг. 1 схематично изображен вид на днище корпуса судна, на котором установлены интерцепторы и антивихревые перегородки;
на фиг. 2 - продольный разрез корпуса судна в области носового редана (по плоскости А-А на фиг. 1);
на фиг. 3 - поперечный разрез корпуса судна (по плоскости Б-Б на фиг. 2) с видом на носовую антивихревую перегородку левого борта;
на фиг. 4 - блок-схема системы автоматического управления интерцепторами;
на фиг. 5 - схема распределения вихрей, образующихся при срыве потока с кромки редана на переходных режимах движения, при использовании традиционной конструкции корпуса судна;
на фиг. 6 - схема распределения вихрей, образующихся при срыве потока с кромки редана на переходных режимах движения, при использовании антивихревой перегородки.

Быстроходное судно (см. фиг. 1-3) содержит корпус 1 с килевым днищем, разделенным носовым реданом 2 на две части - носовую 3 и кормовую 4. За реданом 2 в зареданном пространстве 5 заподлицо с носовой частью днища 3 побортно и симметрично относительно диаметральной плоскости (ДП) установлены носовые управляемые интерцепторы 6. За ними со стороны кормы с минимальным зазором расположена антивихревая перегородка 7 в виде пластины, жестко закрепленной на днище с помощью книц 8 (возможно выполнение перегородки 7 в виде угольника).

Интерцепторы 6 (см. фиг. 2) с помощью штанг 9 подвешены на кормовой части днища 4 и через серьгу 10 и рычаги 11, 12 шарнирно соединены со штоком 13 исполнительного механизма 14. Последний закреплен на фундаменте 15 внутри корпуса 1 судна. В кормовой части днища 4 в области серьги 10 выполнена полость 16, в которой расположена ось 17 с внешним рычагом 11, находящимся вне корпуса 1 судна. На концевой части оси 17, проходящей из полости 16 через стенку внутрь корпуса 1, закреплен второй (внутренний) рычаг 12. Этот рычаг шарнирно связан со штоком 13 исполнительного механизма 14. Рычаги 11 и 12 жестко закреплены на оси 17 и вместе с ней образуют качалку, преобразующую движение штока 13 в движение серьги 10 и интерцептора 6.

Для улучшения доступа воздуха в зареданное пространство 5 в области размещения редана 2 предусмотрен бортовой редан 18 (см. фиг. 3). Этот редан переходит в днищевый редан, расположение которого определяется расположением носовой 19 и кормовой 20 скул. Аналогично носовому комплексу интерцепторов, расположенному перед центром масс (ЦМ) судна, в области кормы судна за кормовым реданом 21 установлен комплекс кормовых интерцепторов 22. За интерцепторами 22 аналогичным образом установлена антивихревая перегородка 23. Перед кормовым комплексом интерцепторов размещены гребные винты 24 и рули управления 25.

Высота антивихревой перегородки не должна превышать высоты редана для того, чтобы кромка перегородки не попадала в поток при ходовом дифференте судна. Практически высота перегородки 7 выбирается из следующего условия: перегородка 7 должна перекрывать щель между днищем судна и верхней кромкой интерцептора 6 (см. фиг. 6). Перекрытие щели при выдвиге интерцепторов 6 на 20-25% от рабочего хода - вихри вокруг интерцептора, показанные на фиг. 5, исчезают либо трансформируются в вихри, изображенные на фиг. 6.

Если корпус 1 судна, интерцепторы 6, 22 и соответствующие антивихревые перегородки 7, 23 выполнены из стали, то между ними не возникает электрохимическая коррозия. В том случае, когда корпус 1 и перегородки 7 и 23 выполняются из алюминиево-магниевого сплава, а интерцепторы 6, 22 - из титановых сплавов, то интерцепторы должны быть электрически изолированы от корпуса 1 и перегородок 7 и 23. Это может быть осуществлено, например, с помощью электроизоляционных прокладок 26, которые устанавливаются под опоры 27 интерцепторов 6. Такие электроизолирующие прокладки в виде втулок устанавливаются на болты, проходящие через днище 4 и опоры крепления 27. На перегородки 7 также могут устанавливаться электроизолирующие прокладки либо их изоляция может производиться посредством микродугового оксидирования самой перегородки 7. Электроизоляцию обеспечивают также в области соединения серьги 10 и штанги 9. Если перегородка 7 изготовлена из материала, отличного от материала днища, это может привести при соприкосновении с ним к электрохимической коррозии. В этом случае перегородку 7 электроизолируют от днища с помощью прокладок, втулок либо специальной краски.

Управление положением интерцепторов 5 и 22, которые используются для обеспечения оптимальной посадки судна и успокоения бортовой качки, обеспечивается с помощью автоматической системы управления (см. фиг. 4).

Система автоматического управления интерцепторами включает в свой состав блок 28 задатчиков углового положения судна, блок 29 задатчиков статических положений интерцепторов 6 и 22, блок 30 датчиков, определяющих углы и угловые скорости дифферента и крена судна, скорости хода, перегрузки на днище судна. Система управления содержит также вычислитель 31, формирующий закон управления для следящих приводов 32, 33, 34 и 35, кинематически связанных с соответствующими интерцепторами. Кинематические связи 36 и 37 между исполнительными механизмами 14 (электромеханического, гидравлического или пневматического типа) и соответствующими интерцепторами 6 и 22 обеспечиваются посредством серьги 10 и качалок, образованных рычагами 11, 12 и осью 17. В состав каждого следящего привода 32-35 входит исполнительный механизм 14, датчик 38 обратной связи и усилитель мощности 39.

Работа системы носовых и/или бортовых интерцепторов, входящих в состав быстроходного судна, осуществляется следующим образом при движении судна.

При увеличении скорости хода судна, движение которого осуществляется с помощью гребных винтов 24 и рулей управления 25, оно последовательно проходит режим плавания, переходной режим и выходит на режим глиссирования. На переходных режимах поток срывается с нижней кромки реданов в виде вихрей (см. фиг. 5 и 6) и образует в зареданном пространстве каверну, заполняемую атмосферным воздухом. Размер этой каверны изменяется от редана по длине судна до некоторой величины - порядка 30-35% от длины судна на максимальной скорости хода. При этом размер каверны зависит как от величины редана (высоты уступа), так и от скорости хода судна.

Для судов с обычной конструкцией корпуса (см. фиг. 5) происходит отрыв потока воды с кромки интерцептора 6 и образование вихревых течений вокруг интерцептора. Такие вихри приводят к пульсациям давления в зареданном пространстве 5. Поскольку в шарнирах кинематического привода всегда существуют люфты, то интерцептор 6 под действием пульсаций давления начинает совершать колебательные вертикальные движения даже при выключенном приводе. Если люфты в кинематическом приводе превышают 1 мм, то возможны удары интерцепторов по своим опорам. Такие явления могут привести к разрушению элементов конструкции привода интерцепторов и в целом снижают надежность и ресурс судна. Как показали экспериментальные исследования указанные явления проявляются при скорости хода 25 - 32 узлов. С ростом скорости хода судна увеличиваются размеры каверны и вихревые течения переходят в кормовую часть днища ближе к корме. При этом опасные вибрации элементов конструкции исчезают.

В случае использования антивихревой перегородки 7, устанавливаемой в зареданном пространстве (см. фиг. 6), при увеличении скорости судна вихревые течения вокруг интерцепторов практически отсутствуют. В результате отсутствуют и пульсации давления, приводящие к вибрации интерцепторов. Данное явление связано с тем, что на пути вихрей оказывается антивихревая перегородка 7, препятствующая образованию обратного вихря. При дальнейшем росте скорости хода судна вихревые течения выпрямляются и удаляются от поверхности кормовой части днища 4. Аналогичная картина наблюдается в области кормового редана 21 и кормовых интерцепторов 22, вблизи которых устанавливается антивихревая перегородка 23.

Таким образом, при установке за интерцепторами 6 и 22 антивихревых перегородок 7 и 23 движение судна при нормальной работе системы управляемых интерцепторов возможно при любых скоростях хода. Это преимущество особенно важно для быстроходных судов, предназначенных для работы во всем диапазоне оборотов двигателей и соответственно скоростей движения.

При достижении судном скорости, при которой эффективно использование интерцепторов для управления угловым положением судна, включают автоматическую систему управления интерцепторами (см. фиг. 4). С помощью системы управления устанавливаются необходимые статические положения для интерцепторов, которые обеспечивают судну максимальное гидродинамическое качество. Установка положения интерцепторов может производиться либо вручную - с помощью блока 29, либо в автоматическом режиме - при возможности программирования положения интерцепторов в зависимости от скорости хода. Относительно выбранных положений интерцепторы далее могут выдвигаться в поток до максимальной величины или полностью убираться за обводы днища. При парировании возмущений от волны и ветра интерцепторы убираются за кромку редана и работают как успокоители килевой и бортовой качки.

В случае ручной установки положения интерцепторов с помощью блока 29 на первые входы усилителей мощности 39, входящих в состав следящих приводов 32 - 35, от вычислителя 31 поступают постоянные сигналы. Эти сигналы усиливаются и отрабатываются исполнительными механизмами 14. При этом с датчиков обратной связи 38 на вторые входы усилителей мощности 39 поступают сигналы, которые компенсируют сигналы на первых входах. Каждый исполнительный механизм 14 и соответствующие интерцепторы 6 или 22 перемещаются до того положения, когда сумма сигналов на входах усилителя мощности 39 становится равной нулю. Следящие приводы 32-35 отслеживают сигналы, поступающие на каждый из них с вычислителя 31. Эти сигналы изменяются не только при изменении скорости хода судна, но и при изменении его углового положения. Информация об изменении углового положения судна и скорости этого изменения поступает в вычислитель 31 с выходов блока 28 задатчиков углового положения и блока 30 датчиков, определяющих углы и угловые скорости дифферента и крена судна.

В результате проведенных испытаний было установлено следующее. Антивихревая перегородка массой всего лишь 5,5 кг позволяет исключить опасные вибрации интерцепторов и их приводов на различных режимах движения судна в диапазоне оборотов главных двигателей от 1000 до 1400 об/мин. Кроме того, при применении таких перегородок упрощается конструкция бортов судна за счет уменьшения либо полного исключения бортового редана. Экономия массы конструкции корпуса составляет 75 кг.

Использование антивихревых перегородок позволяет также упростить технологию изготовления деталей шарниров в приводах интерцепторов (за счет снижения допусков на их изготовление). Эти шарниры необходимы для передачи движения от штоков исполнительных механизмов 14 к интерцепторам 6 и 22.

Изобретение может найти широкое применение в судостроении, при разработке конструкции быстроходных судов, оборудованных комплексом управляемых интерцепторов. Такие суда обычно имеют возможность движения на переходном режиме и на режиме глиссирования, на которых наиболее эффективно применение интерцепторов.

Изобретение относится к судостроению и касается создания быстроходных судов. Судно имеет корпус со скулообразными обводами и килевым днищем. Судно выполнено с носовыми и/или кормовыми реданами, за которыми установлены управляемые интерцепторы. Интерцепторы имеют возможность выдвижения из-за среза днища. По крайней мере одна антивихревая перегородка установлена в зареданном пространстве .днища с зазором относительно интерцепторов со стороны кормы. Высота перегородки не превышает высоту редана. Перегородка может быть выполнена в виде пластины, закрепленной на днище с помощью книц. Антивихревая перегородка может быть электроизолирована от днища и/или от интерцепторов. Перегородка или несколько антивихревых перегородок могут устанавливаться в зареданном пространстве от скулы одного борта до скулы борта, ему противоположного. Рабочая поверхность интерцепторов может быть цилиндрической и выпуклой. Интерцепторы могут быть выполнены с возможностью поворота с помощью штанг относительно опор, закрепленных на днище корпуса. Технический результат реализации изобретения заключается в существенном снижении вредного влияния вихрей, образующихся при схождении потока с кромки днищевого редана, на интерцепторы, расположенные за реданом. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Быстроходное судно, содержащее корпус со скулообразными обводами и килевым днищем с носовыми и/или кормовыми реданами, за которыми установлены управляемые интерцепторы, выполненные с возможностью выдвижения из-за среза днища, отличающееся тем, что в зареданном пространстве днища с зазором относительно интерцепторов со стороны кормы установлена по меньшей мере одна антивихревая перегородка, высота которой не превышает высоту редана. 2. Быстроходное судно по п.1, отличающееся тем, что антивихревая перегородка выполнена в виде пластины, закрепленной на днище в зареданном пространстве с помощью книц. 3. Быстроходное судно по п.1, отличающееся тем, что антивихревая перегородка электроизолирована от днища и/или от интерцепторов. 4. Быстроходное судно по п.1, отличающееся тем, что антивихревая перегородка либо сборка таких перегородок установлена в зареданном пространстве от скулы одного борта до скулы противоположного борта. 5. Быстроходное судно по п.1, отличающееся тем, что рабочая поверхность интерцепторов выполнена в форме выпуклой цилиндрической поверхности. 6. Быстроходное судно по п.1, отличающееся тем, что интерцепторы выполнены с возможностью поворота с помощью штанг относительно опор, закрепленных на днище корпуса.