Эксплуатационные качества малых судов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ходкость

Ходкостью называется способность судна развивать определенную скорость при заданной мощности двигателя. Ходовые качества любого судна определяются двумя основными характеристиками - сопротивлением воды движению судна и эффективностью движителя - устройства, преобразующего энергию двигателя (или ветра в случае парусного судна) в силу - упор, движущую судно вперед. При установившемся движении судна - с постоянной скоростью - сила сопротивления равна упору; если же упор движителя становится меньше, соответственно снижается и скорость движения судна.

В современной гидромеханике силу сопротивления считают состоящей из трех условно независимых составляющих: сопротивления трения, сопротивления формы и волнового сопротивления.

Рис. 12. Обтекание корпуса и изменения в пограничном слое: A - критическая точка (смена ламинарного режима турбулентным); B - точка отрыва пограничного слоя

Сопротивление трения обусловлено действием сил вязкости воды, обтекающей корпус судна. При рассмотрении явлений, происходящих близ корпуса, используется принцип обратимости, т. е. корпус считается неподвижным и обтекаемым потоком воды со скоростью, равной скорости судна. Очевидно, что частицы воды, непосредственно примыкающие к обшивке судна, должны быть относительно нее неподвижными - они как бы прилипают к обшивке. На некотором расстоянии от корпуса скорость движения частиц воды должна стать равной скорости потока (рис. 12). Этот сравнительно тонкий слой воды, в котором происходит изменение скорости потока от нуля до скорости судна v, называется пограничным слоем. Его толщина составляет 1-2 % длины судна по ватерлинии и постепенно увеличивается в кормовой части корпуса. В пределах пограничного слоя и происходят явления, обусловленные вязкостью воды и появлением сопротивления трения.

Исследованиями установлено, что величина сопротивления трения зависит от характера движения частиц воды в пограничном слое, который изменяется в зависимости от длины смоченной поверхности и скорости судна. Характеристикой режима движения частиц является число Рейнольдса:

Re = v · L/н,

где н - коэффициент кинематической вязкости воды (для пресной воды н = 1,15·10^?6 мІ/с); L - длина смоченной поверхности, м; v - скорость судна, м/с.

При относительно невысоком числе Re = 10⁶ частицы воды в пограничном слое движутся слоями, или, говоря языком гидромеханики, поток здесь ламинарный. Силы трения обусловлены касательными напряжениями между отдельными слоями и зависят от перепада скоростей в направлении поперек потока. Наибольший перепад скоростей оказывается непосредственно около поверхности корпуса; соответственно и силы трения здесь имеют наибольшую величину. По мере удаления от обшивки силы трения убывают.

Ламинарный характер обтекания возможен только при сравнительно невысокой скорости и только на небольшом участке корпуса близ форштевня. При скорости, например, 2 м/с уже на расстоянии 2 м от штевня число Рейнольдса достигает критической величины, при которой режим потока в пограничном слое становится турбулентным - вода начинает двигаться не слоями, а совершать вихревые движения, направленные поперек пограничного слоя. Возникает обмен кинетической энергией между слоями, вследствие чего скорость частиц воды вблизи поверхности корпуса возрастает в большей степени, чем при ламинарном потоке, возрастают перепад скоростей между слоями и соответственно - силы сопротивления трения. Из-за поперечных перемещений частиц воды увеличивается толщина пограничного слоя. Все это обуславливает повышение расхода энергии, требующейся на преодоление сил трения.

Критическая величина Re, при которой происходит турбулентное обтекание корпуса, находится в пределах 5·10⁵-6·10⁶ и в значительной степени зависит от формы и гладкости поверхности корпуса. При повышении скорости точка перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный перемещается в сторону носа и при достаточно высокой скорости вся смоченная поверхность корпуса может быть охвачена турбулентным потоком. ходовое сопротивление волнообразование глиссирование

Силу сопротивления рассчитывают по формуле:

Rтр = жтр · с · vІ/2 · Щ кг,

где R_тр - сопротивление трения, кг; ж_тр - коэффициент сопротивления трения; с - массовая плотность воды, равная плотности воды, деленной на ускорение силы тяжести. Для пресной воды с = 102 кг·сІ м?; Щ - смоченная поверхность корпуса, мІ.

Рис. 13. Коэффициент сопротивления трения технически гладкой и шероховатой пластин: А - при ламинарном обтекании пластины; Б - при турбулентном обтекании; В - при переходном режиме обтекания; Г - при шероховатости L/K = 5·10⁴; Д - при шероховатости L/K = 2·10⁵

Коэффициент сопротивления трения - величина переменная, зависящая от характера потока в пограничном слое, смоченной длины корпуса, скорости и и шероховатости поверхности наружной обшивки. На рис. 13, построенном в логарифмических шкалах, показана экспериментальная зависимость коэффициента сопротивления трения от числа Re и шероховатости поверхности корпуса. С увеличением скорости коэффициент ж_тр уменьшается. Две наклонные линии на рис. 13 представляют собой изменение коэффициента ж_тр для технически гладких пластин при ламинарном (линия А) и турбулентном (Б) режимах обтекания, а горизонтальные прямые соответствуют значениям коэффициента ж_тр для пластин с различной относительной шероховатостью k/L (за k принимается средняя высота неровностей поверхности длиной L).

Увеличение сопротивления трения шероховатой поверхности по сравнению с гладкой объясняется наличием в турбулентном пограничном слое ламинарной пленки - подслоя в непосредственной близости от обшивки. Если бугорки на поверхности обшивки оказываются полностью погруженными в ламинарный подслой, то они не вносят существенных изменений в характер движения частиц воды в подслое. Если же неровности превышают толщину подслоя и выступают над ним, то происходит турбулизация потока по всей толщине пограничного слоя и коэффициент трения соответственно возрастает.

Линия Б позволяет оценить допустимую шероховатость днища для малых судов различных размеров и для различной скорости. Можно заметить, что с увеличением длины по ватерлинии и скорости лодки требования к качеству поверхности днища возрастают.

Для ориентирования приведем значения фактической шероховатости (k, мм) для некоторых поверхностей:

- тщательно лакированная и шлифованная деревянная поверхность - 0,003;

- деревянная окрашенная и шлифованная - 0,02ч0,03;

- окрашенная патентованным покрытием - 0,04ч0,06;

- деревянная окрашенная свинцовым суриком - 0,15;

- обычная доска - 0,5;

- обросшее ракушками днище - до 4,0.

В особенно тщательной обработке нуждаются носовая оконечность судна, все входящие кромки киля, плавника (на яхтах) и руля, так как здесь, как было показано выше, может сохраняться ламинарный пограничный подслой и можно рассчитывать на снижение сопротивления трения. В кормовой части корпуса, где толщина пограничного слоя увеличивается, а его режим становится полностью турбулентным, требования к отделке поверхности могут быть снижены.

Особенно сильно сказывается на повышении сопротивления трения обрастание днища водорослями и ракушками. Если периодически не очищать днища малых судов, постоянно находящихся в воде, то через два-три месяца сопротивление трения может повыситься на 50-80 %, что равносильно потере скорости судна на 25-40 %.

Сопротивление формы

Даже за хорошо обтекаемым корпусом на ходу можно обнаружить кильватерный след - спутную струю, в которой вода совершает вихревые движения. Это следствие отрыва от корпуса пограничного слоя в определенной точке (Б на рис. 12), положение которой зависит от характера изменения кривизны поверхности по длине корпуса. Чем плавнее обводы кормовой оконечности, тем дальше в корму происходит отрыв пограничного слоя и меньше вихреобразование - сопротивление формы.

При нормальных соотношениях длины корпуса к ширине сопротивление формы невелико. Его повышение может быть обусловлено наличием острых скул, сломов обводов в подводной части корпуса, неправильно спрофилированными килями, рулями и другими выступающими частями. Сопротивление формы зависит и от режима обтекания в пограничном слое - чем на большей длине он ламинарный, тем меньше сопротивление формы. Поэтому важно устранить на обшивке возможные причины турбулизации потока: наплывы краски, выступающие головки крепежа, уменьшить общую шероховатость и т. п.

Волновое сопротивление

Возникновение волн у корпуса судна при его движении вызвано действием сил тяжести жидкости на границе раздела воды и воздуха. В носовой оконечности - в месте встречи корпуса с водой, давление резко повышается, и вода поднимается на некоторую высоту в виде носового буруна. Ближе к миделю, где вследствие расширения корпуса скорость обтекающего его потока повышается, давление в нем согласно закону Бернулли падает, уровень воды понижается - образуется впадина волны. В кормовой части, где линии тока воды, огибающие корпус, соединяются, давление вновь повышается и образуется вершина кормовой волны.

При перемещении судна около него образуется сложная система носовых кормовых волн, которая по своему характеру одинакова для судов любых размеров (рис. 14).

Рис. 14. Система волн, образующаяся около движущегося судна: 1 - носовые расходящиеся волны; 2 - поперечные волна; 3 - кормовые расходящиеся волны

На малой скорости хорошо заметны расходящиеся волны, зарождающиеся в носу и корме судна. Их гребни расположены под углом 36-40° к диаметральной плоскости. На более высокой скорости выделяются поперечные волны, гребни которых не выходят за пределы сектора, ограниченного углом 18-20° с ДП судна. Носовая и кормовая системы волн взаимодействуют друг с другом, следствием чего может быть как увеличение высоты суммарной волны за кормой, так и ее снижение. По мере удаления от корпуса энергия волн поглощается средой, и они постепенно затухают. Однако вызванное волнообразованием изменение поля скоростей потока у корпуса создает силу сопротивления, на преодоление которой расходуется довольно значительная часть мощности двигателя или тяги парусов.

Величина волнового сопротивления изменяется в зависимости от скорости судна. Из теории колебаний известно, что скорость распространения волн связана с их длиной соотношением:

л = 2р · vІ/ g,

где р = 3,14; v - скорость волны, м/с; g = 9,81 м/сІ - ускорение силы тяжести.

Поскольку волновая система движется вместе с судном, то и скорость распространения волны равна скорости судна. Можно подсчитать длину поперечной волны для каждой скорости:

Таким образом, если речь идет о малом судне длиной около 10 м, то уже при скорости 16-18 км/ч длина образующейся у его корпуса волны будет превышать длину по ватерлинии. На ходу распределение сил плавучести по длине корпуса существенно изменяется - на определенной скорости судно оказывается идущим на гребне созданной им носовой поперечной волны, расположенном в носовой части корпуса, а корма оказывается в районе подошвы (или впадины) этой волны. Если плавучесть кормы окажется недостаточной, то судно получает ходовой дифферент на корму.

Рис. 15. Схема образования поперечных волн в зависимости от относительной скорости лодки

Справа показаны оптимальные обводы корпусов малых судов для данной скорости.

Для характеристики режима движения судна и волнообразования используется безразмерный параметр - число Фруда:

Fr = v / vg · L.

Заметим, что в формулу числа Фруда или относительной скорости входят длина судна по КВЛ и те же элементы, что составляют формулу для определения длины волны. Этим подчеркивается зависимость волнообразования от сил тяжести, скорости и длины судна по ватерлинии.

Учитывая, что величина g = 9,81 м/сІ постоянная, относительную скорость можно характеризовать числом V/vL, где V - скорость судна в км/ч.

Рассмотрим связь относительной скорости и волнового сопротивления. На малых скоростях движения при: Fr = 0,1ч0,2:

V = (1-2,5) vL, км/ч

на поверхности воды около судна образуется мелкая и короткая волна. Затраты мощности на создание этой волны меньше, чем необходимо для преодоления сопротивления трения. Обводы корпуса на сопротивление воды оказывают лишь незначительное влияние, обусловленное величиной смоченной поверхности.

При повышении скорости до Fr = 0,25:

V = 2,8 vL, км/ч

у корпуса создается невысокая поперечная волна длиной примерно 0,65L. Второй гребень носовой волны располагается слегка в корму за миделем. Если корпус имеет плавные ватерлинии, заостренные в носу и в корме, а подводный объем распределен равномерно по длине, волновое сопротивление невелико. Если же носовая часть слишком полная, перед форштевнем появляется крутая подпорная волна; если большой объем имеет корма, то вследствие сильного разрежения давления за кормой увеличивается глубина впадины. Оба явления обуславливают заметный рост сопротивления воды.

При Fr = 0,35:

V = 4 vL, км/ч

вторая вершина волны перемещается ближе к корме и приподнимает ее (рис. 15). Вследствие этого судно получает небольшой дифферент на нос. Для того чтобы снизить этот эффект, целесообразны обводы кормы вельботного или крейсерского типа, а в случае транцевой кормы ватерлинии у транца должны быть достаточно острыми.

Чем большую скорость развивает судно, тем выше и длиннее становятся поперечные волны. При Fr = 0,40:

V = 4,5 vL, км/ч

длина носовой поперечной волны становится равной длине корпуса. Судно идет на двух соседних гребнях одной поперечной волны, но в корме гребень носовой волны в известной степени гасится пониженным давлением в области подошвы кормовой волны, катер при этом получает легкий дифферент на корму.

При Fr = 0,5:

V = 5,6 vL, км/ч

наступает момент неблагоприятной интерференции носовой и кормовой систем волн. В этом случае у корпуса судна образуется одна мощная полуволна, гребень носовой волны складывается с гребнем кормовой и за транцем судна вырастает большая поперечная попутная волна. Корма погружается в подошву первой волны, катер приобретает большой ходовой дифферент на корму. Дальнейшее повышение скорости связано с резким увеличением волнового сопротивления и соответствующими затратами мощности двигателя. При этом наступает пик волнового сопротивления, преодолеть который тяжелое судно с круглоскулыми водоизмещающими обводами обычно оказывается не в состоянии.

Сказанное иллюстрируется зависимостью сопротивления воды от скорости судна. На малых скоростях движения волновое сопротивление составляет обычно не более 30 % общей силы сопротивления воды, в то время как на предельной скорости оно возрастает до 60-65 % и более (рис. 16).

Рис. 16. Типичные кривые сопротивления воды движению водоизмещающего судна в зависимости от скорости: 1 - полное сопротивление; 2 - сопротивление трения

Если на судне установлен достаточно мощный двигатель, а обводы днища в корме создают опорную поверхность, способствующую уменьшению ходового дифферента на корму - выравниванию корпуса - при:

V > 8 vL, км/ч

на судно начинают действовать динамические силы поддержания, и оно постепенно переходит в качественно новый режим движения - глиссирование.

С помощью номограммы, приведенной на рис. 17, можно определить в первом приближении скорость V, которую может достичь катер, имеющий водоизмещение D и оснащенный двигателем мощностью N. Соединив прямой линией точку на левой шкале номограммы, соответствующую длине катера по ватерлинии L, с точкой, соответствующей мощности на правой шкале, можно найти ожидаемую скорость катера на пересечении этой прямой с вертикальной линией, соответствующей известному водоизмещению D. Наклонные линии номограммы представляют собой шкалу скорости V, значение которой считывают у левого конца данной линии.

Рис. 17. Номограмма для определения скорости водоизмещающего катера

Пользуясь номограммой, можно приближенно решить и обратную задачу: найти мощность двигателя N, необходимую для того, чтобы судно данного водоизмещения D и длины по ватерлинии L достигло какой-либо определенной скорости.

Глиссирование

При глиссировании, которое характеризуется относительной скоростью V = (12ч20) vL км/ч, судно располагается над поверхностью воды, касаясь ее только небольшим участком днища. Оно поддерживается в этом положении благодаря гидродинамическому давлению, возникающему как реакция отбрасываемых вниз масс воды и действующему на смоченный участок днища. Схема действия основных сил на днище глиссирующего катера показана на рис. 18.

Рис. 18. Схема действия гидродинамического давления на глиссирующую пластину (а) и силы на днище глиссирующего катера (б): 1 - поверхность воды; 2 - пластина; 3 - брызговая струя, отбрасываемая по ходу; 4 - эпюра гидродинамического давления; 5 - точка C, в которой скорость потока равна 0, а давление имеет максимальную величину p = ЅсvІ; 6 - волновая впадина; 7 - волновые стенки-валики впадины

Вода, ударяясь о днище (для наглядности оно заменено плоской пластиной), разделяется на два потока. Основной поток перемещается к кормовому срезу днища, другой - в виде тонкой брызговой пелены выбрасывается вперед. В точке C, где струи воды ударяют о поверхность днища и поток раздваивается, вся энергия набегающего потока превращается в гидродинамическое давление p, пропорциональное квадрату скорости катера и массовой плотности воды с, т. е.

p = 1/2 с · vІ кг/мІ.

В точке C давление максимальное, затем оно постепенно уменьшается и на кормовом крае пластины становится равным атмосферному. Соответственно изменяется и скорость потока, обтекающего днище: в точке C она равна 0, а у кормового края - максимальная. Распределение давления вдоль днища зависит от угла атаки днища, а к набегающему потоку и от продольного профиля днища. При увеличении угла атаки точка приложения равнодействующей сил давления смещается ближе к транцу также, как и при вогнутом продольном профиле днища. И наоборот: даже небольшая выпуклость днища в корме вызывает существенное падение давления.

В поперечном направлении гидродинамическое давление изменяется мало, резко падая на боковых кромках - скулах днища - до атмосферного. Это вызывает образование поперечного потока воды, который вырывается из-под скул в виде характерных "усов". Наибольшей интенсивности "усы" достигают в месте действия повышенных давлений - на границе поверхности воды и днища катера.

За кормой глиссирующего катера появляется волновая впадина, имеющая по бокам хорошо заметные стенки-валики, которые смыкаются далеко за транцем. В этом месте образуется характерный подъем воды в виде "петуха", за которым идет группа расходящихся и поперечных волн. При достаточно высокой скорости волновая система, создаваемая катером, становится незаметной и волновое сопротивление близко к нулю. Сопротивление воды складывается в основном из сопротивления трения и сопротивления брызгообразования - давления.

Результирующую действующего на днище гидродинамического давления A принято рассматривать как векторную сумму двух слагаемых - подъемной силы Y, воспринимающей массу катера, и силы сопротивления R (см. рис. 18).

Эффект глиссирования оценивается величиной гидродинамического качества:

k = D/R,

или же обратной величиной - коэффициентом глиссирования:

е = R/D,

(здесь D - водоизмещение судна, R - сила сопротивления движению). Чем ниже коэффициент глиссирования, тем меньшая мощность требуется для того, чтобы вывести на глиссирование судно данной массы. Для большинства малых катеров и мотолодок е = 0,18ч0,25.

Таким образом, нижний предел скорости для выхода судна на режим глиссирования зависит от полной массы судна, включая пассажиров, оборудование, запас горючего и мотор. Ориентировочно его можно определить по формуле:

V = 34⁶vD км/ч.

Например, при D = 0,5 т V = 34⁶v0,5 = 34 · 0,9 = 30,6 км/ч.

Естественно, чтобы развить такую скорость, на лодке нужно установить двигатель соответствующей мощности. Для приблизительной оценки можно условиться, что лодка выйдет на глиссирование только в случае, если на каждый кВт располагаемой мощности двигателя будет приходиться не более 34 кг полной массы судна.

Помимо массы, на величину сопротивления движению глиссирующего судна существенное влияние оказывают угол атаки и зависящая от него длина, а также ширина смоченного участка днища и отстояние центра тяжести от транца катера.

На рис. 18, б представлена упрощенная схема сил и моментов, действующих на глиссирующее судно на ходу. Равновесие определяется величиной и взаимным расположением четырех основных сил: массы судна D, силы поддержания Y, тяги гребного винта T, сопротивления воды движению судна R. Силы D и Y создают момент M_YD, дифферентующий судно на нос. Этот момент при установившемся движении уравновешивается равным по величине и противоположным по направлению моментом M_TR сил T и R.

При глиссировании Y состоит практически полностью из гидродинамической подъемной силы, которая зависит от площади и формы глиссирующей поверхности днища, угла атаки (дифферента) и скорости судна. По условию равновесия Y должна быть равна D, поэтому с повышением скорости должны соответственно уменьшаться либо площадь глиссирующего участка днища, либо угол атаки, либо и то и другое одновременно.

Для достижения наибольших скоростей целесообразно уменьшить смоченную поверхность, так как это позволяет снизить сопротивление трения. Однако поскольку ширина днища остается постоянной, то вследствие укорочения длины глиссирующего участка точка приложения Y смещается в корму; тем самым нарушается равновесие системы сил и моментов. Под действием D нос судна опускается, и длина смоченной поверхности вновь увеличивается, сопротивление воды также повышается. В результате судно не достигает скорости, которую оно могло бы развить.

Еще более отрицательное влияние на сопротивление воды движению глиссирующего катера оказывает излишний дифферент - чрезмерно большой угол атаки, с увеличением которого повышается сопротивление давления. Опыт показывает, что за счет снижения угла дифферента скорость катера можно повысить на 15 и даже 20 %!

Очевидно, существует оптимальный угол атаки, при котором сумма сопротивления трения и давления оказывается минимальной (рис. 19). Обычно ходовой дифферент изменяется в довольно широких пределах в зависимости от скорости судна, т. е. частоты вращения гребного вала. Удачные глиссирующие катера получают максимальный дифферент (не более 8°) при частоте вращения около 40 % номинальной; затем дифферент уменьшается до оптимального значения (3-4°) при номинальных оборотах. Относительно широкие катера могут иметь чрезмерный дифферент на всем диапазоне частоты вращения двигателя, максимум которого (до 14°) достигается в области более высоких оборотов. Катера с избыточной мощностью двигателя при частоте вращения двигателя от 80 % номинальной и выше идут с малым углом дифферента - до 2°, что обуславливает некоторое снижение скорости при увеличении числа оборотов.

Рис. 19. Угол атаки и сопротивление воды движению глиссирующего катера

На практике глиссирующие катера идут с оптимальным дифферентом далеко не на всем диапазоне скоростей. Излишний дифферент наблюдается обычно в районе "горба" на кривой сопротивления, что соответствует выходу катера на глиссирование. На полном ходу, наоборот, дифферент часто оказывается меньше оптимального.

В зависимости от соотношения смоченной длины, ширины и килеватости днища оптимальный угол атаки колеблется в пределах от 2 до 7°. Чем шире и короче глиссирующий участок днища и меньше его килеватость, тем меньше оптимальный угол атаки. В среднем величина угла атаки составляет:

- для реданных и трехточечных высокоскоростных глиссеров и катамаранов - 2,5ч3°;

- для катеров с умеренной килеватостью днища (до 15°) - 3ч4°;

- для катамаранов без поперечных реданов и катеров с обводами "глубокое V" - 5ч7°.

При проектировании катера в расчет берется одна определенная скорость, поэтому судно целесообразно снабжать различного рода устройствами для регулирования ходового дифферента: транцевыми плитами, дифферентовочными цистернами, устройствами для регулирования угла наклона гребного вала. Последние являются составной частью конструкции подвесных моторов и угловых поворотно-откидных колонок.

На рис. 20 приведена характерная кривая сопротивления глиссирующего катера в зависимости от относительной скорости - числа Фруда по водоизмещению

где D - водоизмещение, мі. В этом выражении переход от линейного размера к объемному (весовому) отражает физическую сущность явлений, происходящих при глиссировании: длина по ватерлинии становится переменной величиной, зависящей от угла дифферента и скорости.

На кривой (см. рис. 20) выделяется область скоростей, в которой происходит переход водоизмещающего плавания в режим глиссирования. Эта область отличается резким увеличением гидродинамической подъемной силы и снижением роли статической силы поддержании судна на воде. В пределах переходного режима движения отмечается и максимум сопротивления воды - так называемый "горб", с повышением скорости сопротивление начинает снижаться. Следовательно, глиссирующий катер для достижения скорости за "горбом" сопротивления должен обладать достаточным запасом мощности двигателя, чтобы преодолеть "горб" на меньшей скорости. После выхода на глиссирование дроссельная заслонка карбюратора может быть слегка прикрыта - для движения с более высокой скоростью; в области минимального сопротивления требуется уже меньшая мощность двигателя.

Рис. 20. Характерная кривая сопротивления глиссирующего катера, режимы движения и рекомендуемые обводы корпуса: I - режим водоизмещающего плавания (круглоскулые обводы); II - переходный режим (круглоскулые обводы с плоским участком днища в корме, или остроскулый корпус); III - режим глиссирования (остроскулые обводы с умеренной килеватостью днища в корме; IV - режим глиссирования (остроскулые килеватые обводы; при Fr_D > 5 - "глубокое V" в сочетании с продольными реданами); A - "горб" сопротивления

На рис. 21 приведены кривые для определения достижимой скорости чисто глиссирующих мотолодок и катеров с остроскулыми обводами и транцевой кормой длиной от 3,5 до 6 м. Кривые построены на основе испытаний большого числа мотолодок с подвесными моторами, но метод пригоден и для катеров, снабженных стационарной установкой с гребным винтом и рулем.

Рис. 21. График для предварительной оценки скорости глиссирующих мотолодок при заданной мощности подвесного мотора N, л. с., полной массе судна D, кг и ширине глиссирующего участка днища B, см

График позволяет учесть удельную нагрузку судна как относительно мощности двигателя N (D/N), так и ширины глиссирующего участка днища B (D/B). Под нагрузкой имеется в виду полная масса судна с мотором, пассажирами и запасом горючего, а под шириной B - ширина корпуса по скуле либо расстояние между кромками продольных реданов, на которых предполагается глиссирование судна при данной нагрузке. В предварительных расчетах полезно уменьшить паспортную мощность подвесного мотора на 10-15 % - именно такова средняя эксплуатационная мощность большинства моторов. При использовании этого метода следует учитывать, что полную отдачу мощности двигателя можно получить лишь в том случае, если применить оптимальный гребной винт для данной нагрузки и скорости лодки.

Другой важный фактор, влияющий на точность расчета, - это оптимальная центровка судна для данной скорости, так как от центровки зависят ходовой дифферент и смоченная поверхность днища. Даже если с мотором и гребным винтом все в порядке, неправильное положение центра тяжести по длине может оказаться причиной снижения скорости на 50-70 % получаемой по данному методу.

Устойчивость глиссирования

Движение глиссирующего катера будет устойчивым лишь в том случае, если соблюдается равновесие системы сил и моментов, рассмотренных на рис. 18. В случае нарушения равновесия катер при движении раскачивается в вертикальной продольной плоскости, периодически изменяя дифферент и смоченную длину днища. Это явление, называемое иногда дельфинированием, сопровождается ударами корпуса о воду, а при значительной килеватости днища - еще и поперечным раскачиванием. Дельфинирование не позволяет использовать полную мощность двигателя для развития максимальной скорости, так как сопротивление воды периодически увеличивается, эффективность работы гребного винта снижается. Кроме того, затрудняется управление катером, ухудшаются условия пребывания на нем экипажа.

Чаще всего причиной продольной неустойчивости движения судна является несоответствие положения центра тяжести катера точке приложения гидродинамической подъемной силы по длине. Последняя располагается примерно на расстоянии 0,7L_см от транца - средней смоченной длины днища. Тяжелые прогулочные суда продольной устойчивости обычно не теряют, поскольку смоченная длина достаточно велика и ЦТ судна находится в пределах этой длины либо может сместиться в результате перераспределения пассажиров и наиболее тяжелых грузов.

Иное дело - легкие гоночные суда, особенно с широким плоским днищем в корме, которые глиссируют на коротком участке днища у самого транца. Центр тяжести оказывается расположенным в нос от передней границы смоченной поверхности, поэтому корпус под действием силы тяжести опускается на воду. При этом мгновенно увеличивается смоченная поверхность, подъемная сила возрастает и оказывается действующей уже в нос от ЦТ судна; носовая часть вновь подбрасывается вверх, и т. д.

Дельфинирование обычно возникает и у коротких широких прогулочных лодок с мощными подвесными моторами. Его причиной может быть подъем днища (даже на небольшую величину, что нередко случается при самостоятельной постройке лодок) вверх у транца или значительное сужение днища по скуле в кормовой части корпуса (при отношении ширины у транца к максимальной ширине по скуле менее 0,9). Вызвать дельфинирование может большой развал надводного борта в носу и сильный встречный ветер, отрывающий носовую часть от воды. На устойчивость движения влияет также угол наклона гребного вала или откидки подвесного мотора от транца.

При разработке проекта нового катера в первом приближении его склонность к потере устойчивости можно оценить с помощью графика (рис. 22), где приведена зависимость скорости, при которой возможна потеря устойчивости, от относительной центровки x_g/B и коэффициента динамической нагрузки:

CB = D/с vІ/2 BІ.

Избавиться от дельфинирования на уже построенном катере можно, во-первых, если переместить вперед общий ЦТ катера, изменив при этом положения тяжелого оборудования и снаряжения, места водителя и пассажиров; во-вторых, если сместить назад точку приложения гидродинамической подъемной силы, установив регулируемые транцевые плиты и отогнув днище вниз у транца; в-третьих, благодаря устройству "полочки" - продолжения днища за транец. Во всех случаях происходит удлинение смоченной поверхности, соответствующее повышение сопротивления трения и некоторое снижение максимальной скорости.

Рис. 22. График для оценки продольной устойчивости глиссирования

Воздушное сопротивление, как и сопротивление воды, пропорционально квадрату скорости катера. При средних скоростях движения - до 40-50 км/ч и нормальных размерах надстроек воздушное сопротивление невелико и составляет от 2 до 4 % полного сопротивления. Однако доля воздушного сопротивления быстро возрастает при сильном встречном ветре, когда результирующая скорость обтекающего катер потока является суммой скоростей судна и ветра. Поэтому объем и форма надстроек катеров имеют немаловажное значение для сохранения скорости и управляемости в штормовых условиях, особенно на открытой воде.

Размещено на Allbest.ru