Среда, 20 Сентября 2017

Соцсети на верху

ГЛИССИРУЮЩИЕ СУДА

Все обычные водоизмещающие суда пла­вают погруженными в воду на заданную осад­ку. Осадка водоизмещающего судна на сто­янке мало отличается от осадки на ходу. По­этому все водоизмещающие суда при своем движении испытывают значительное сопро­тивление воды, возрастающее прямо пропор­ционально квадрату скорости судна. Если увеличить скорость судна в 2 раза, то со­противление воды возрастет в 4 раза, а чтобы преодолеть это сопротивление — понадобится увеличение мощности двигателя в 8 раз. На­пример, при увеличении мощности главных двигателей в 2 раза на водоизмещающем суд­не скорость его возрастает примерно на 15%. Если пытаться заставить такое судно идти с очень большой скоростью, то необходимый вес двигателя окажется больше заданного водоизмещения.
Таким образом, преодолеть сопротивление воды простым увеличением мощности двига­теля трудно, поэтому возможности увеличе­ния скорости водоизмещающих судов ограни­чены. Движение судна, при котором его вес полностью уравновешивается только архиме­довой силой поддержания, называют режи­мом плавания.
Для увеличения скорости движения проек­тируют и строят глиссирующие суда, сколь­зящие по поверхности воды. Глиссирующие суда на ходу поддерживает над водой не сила Архимеда, а гидродинамическая сила, возни­кающая от набегающего потока воды. Глис­сирующее судно на ходу лишь в очень малой степени (5—10%) поддерживается архиме­довой гидростатической силой.
С внешней стороны глиссирующее судно отличается от обычного водоизмещающего тем, что имеет плоское или малокилевое, от­носительно широкое днище (с малым отноше­нием LIB), острые скулы, транцевую корму и часто уступ (редан) поперек средней части днища. Вследствие выхода днища судна над поверхностью воды сопротивление движению значительно уменьшается.
Для того чтобы пояснить, как возникает гидродинамическая сила, представим себе, что вода, изображенная на рис. 45, затверде­ла, а упор винта продолжает двигать судно вперед. Очевидно, что в таком случае движу­щееся судно поднимется над основной по­верхностью.
В действительности вода будет расступать­ся от днища в стороны и вниз. Однако глис­сер движется настолько быстро, что в силу инерции массы воды не успевают расступить­ся, и днище глиссера поднимается над по­верхностью.
Конечно, процесс взаимодействия глиссера с водой сложнее, но мы ограничимся сказан­ным.

Гидродинамическую силу А (рис. 46), воз­никающую при движении глиссера, можно разложить на две составляющие силы — од­ну, направленную вертикально вверх А г, а Другую — горизонтально Ак, направленную в сторону, противоположную движению глиссе­ра. Вертикальная составляющая носит назва­ние' гидродинамической подъемной силы. Эта сила полезная, она поднимает глиссер из во­ды, благодаря чему осадка и сопротивление воды движению судна существенно уменьша­ются.
Горизонтальная составляющая сила на­правлена против движения глиссера и пред­ставляет собой силу сопротивления воды.
Величина гидродинамической подъемной силы и силы сопротивления глиссирующего судна зависит от размеров площади, формы и профиля днища судна, скорости движения и угла атаки а.
Углом атаки называют угол, под которым днище судна встречает набегающий на него поток. В зависимости от скорости движения судна наиболее выгодными являются углы в

 

3—5°. Чем больше скорость, тем меньше дол­жен быть угол атаки. С увеличением угла атаки увеличивается сила сопротивления Ах-
Таким образом, глиссированием или сколь­жением по водной поверхности называют та­кой режим движения судна, при котором гидродинамическая подъемная сила состав­ляет до 90—95% от веса судна, а гидростати­ческая (Архимедова сила) становится мень­ше 10% (рис. 47).
Режим движения судна, находящийся между режимами плавания и глиссирования (когда гидродинамическая подъемная сила равна примерно силе поддержания), называ­ется переходным режимом.
Для характеристики режима движения любого судна или модели пользуются безраз­мерным числом Фруда Fr, значение которого можно рассмотреть по формуле:

где v с — скорость судна в м/с;
g   — ускорение свободного падения (9,8 м/с2);  V — объемное водоизмещение в м3.
Число Фруда характеризует относитель­ную скорость набегающего потока воды. Оно одинаково как для натурного судна, так и для его модели, исполненной в любом мас­штабе.

 

Как видно из таблицы, каждому режиму движения соответствует и своя относительная скорость (число Фруда). Например, глиссиро­вание судна или модели начинается только при значении относительной скорости не ме­нее трех единиц. Если расчетное значение числа Фруда получится менее трех, можно утверждать, что модель чисто глиссировать не будет и надо принимать какие-то меры к уменьшению ее веса.
Важной характеристикой режима глисси­рования судна служит удельная нагрузка, т. е. число килограммов полного веса судна, приходящееся на 1 л. с.:

где р — удельная нагрузка, кг/л. с.;
D — полное водоизмещение судна в кг;
N — мощность двигателя, л. с.
Чем меньше удельная нагрузка, тем боль­шую скорость сможет развить глиссирующее судно. Например, глиссирование начинается при удельной нагрузке не более 25 кг/л. с, 25—70 кг/л. с. соответствует переходному режиму, и при нагрузке более 70 кг/л. с. воз­можен только обычный режим плавания.
Удельная нагрузка спортивных катеров и мотолодок лежит в пределах 3—10 кг/л. с.
Соответствующими расчетами и опытным путем установлено, что удельная нагрузка для скоростных радиоуправляемых моделей должна быть: для моделей с электродвигате­лем эффективной мощностью 15—20 Вт не более 50—60 г/Вт; для моделей с электродви­гателем мощностью 150—200 Вт эта нагрузка должна составлять не более 20—25 г/Вт; для моделей с двигателем внутреннего сгорания объемом цилиндра 2,5 см3, мощностью 0,3 л. с. не более 500 г на 0,1 л. с; для моделей с дви­гателем внутреннего сгорания объемом ци­линдра 5 см3, мощностью 0,5 л. с. не более 400 г на 0,1 л. с; с двигателем внутреннего сгорания объемом цилиндра 10 см3, мощ­ностью 1 л. с. не более 300 г на 0,1 л. с.
По оценкам удельных нагрузок можно ре­комендовать предельные водоизмещения для скоростных радиоуправляемых моделей:
а) с электродвигателем мощностью 15— 20 Вт не более 1 кг;
б) с электродвигателем мощностью 150 — 200 Вт не более 4 кг;
в) с двигателем внутреннего сгорания объемом цилиндра 2,5 см3 не более 1,5 кг;
г) с двигателем внутреннего сгорания объемом цилиндра 5 см3 не более 2 кг;
д) с двигателем внутреннего сгорания объемом цилиндра 10 см3 не более 3 кг.
При постройке радиоуправляемых скоро­стных моделей надо стремиться к уменьше­нию удельной нагрузки путем уменьшения веса модели и увеличения мощности двига­теля.

 

ВЫБОР ФОРМЫ ОБВОДОВ КОРПУСА ГЛИССИРУЮЩЕЙ МОДЕЛИ
Форма обводов корпуса глиссирующей модели определяет величину гидродинамическои подъемной силы, а следовательно, и скорость модели. Форма днища, кроме того, влияет на мореходные качества судна.
Плоское днище. Плоское днище (рис. 48, А) очень выгодно для создания гидродинами­ческой подъемной силы, необходимой для глиссирования. Однако судно и особенно мо­дель с плоским днищем при встрече с волной отрывается от воды, возвращаясь, ударяется о воду, теряет устойчивость на курсе и им очень трудно управлять. Кроме того, судно с совершенно плоским днищем обладает очень плохой поворотливостью и после откло­нения руля под действием силы инерции дрейфует (подскальзывает) в сторону, проти­воположную перекладке руля, описывая очень пологую кривую. Поэтому глиссеры с плоским днищем не строят.
Плоскокилеватое днище, чтобы смягчить удары о воду, днищам моделей глиссирую­щих судов придают килеватость, большую в носу и уменьшающуюся к корме (рис. 48, Б, В). Суда этого типа более мореходны, с хоро­шей поворотливостью. Благодаря килеватости боковое сопротивление при криволинейном движении достаточно для противодействия силе инерции. Суда с такими обводами вполне устойчивы на прямом курсе. Чем больше ки­леватость глиссирующего судна или модели, тем лучше поворотливость и устойчивость на курсе.
Малокилеватое днище по величине гидро­динамической подъемной силы почти не уступает плоским днищам. Однако с увеличением килеватости величина гидродинамической подъемной силы уменьшается, но растет со­противление движению и увеличивается струя брызг из-под днища. Поэтому угол килеватости на транце делают не более 4°, а на миделе в пределах 6—12°, причем разницу килевато­сти между миделем и транцем делают не бо­лее 7—8°.
Изогнуто-килеватое днище. Чтобы улуч­шить качество глиссера, конструируют изогнуто-килеватые, выпуклокилеватые днища с отгибом скулы вниз, тоннельные и другие (рис. 48, Г, Д).
Отогнутая кромка днища у скулы отража­ет вниз брызговую струю, обеспечивает более равномерное распределение давления поперек днища и за счет реакции отраженных струй создает добавочную подъемную силу. Смочен­ная поверхность и сопротивление движению уменьшается, что способствует увеличению скорости. Днища с такими формами работают даже лучше плоских (рис. 49). Выпуклость киля (скругление) улучшает мореходные ка­чества модели: уменьшает ударные нагрузки при встрече с волной, улучшает вход судна на волну и устойчивость хода модели. Гово­рят, что такая модель идет «мягче».
Влияние на скорость продольной кривизны линии киля. Днище глиссирующего судна движется под углом атаки а к поверхности воды. Гидродинамическая сила давления на днище наибольшая у начала смоченной по­верхности днища. Если кормовую ее часть плавно отогнуть вниз (рис. 50), то поток воды тоже отклонится вниз, вследствие чего дав­ление на днище (гидродинамическая сила) возрастет и переместится ближе к корме. Это уменьшит дифферент на корму, улучшит устойчивость судна на курсе и условия рабо­ты гребного винта. При этом скорость судна или модели может увеличиться на 10—15 %.
Однако делать это надо аккуратно, так как чрезмерный отгиб днища приводит к потере устойчивости хода. Длину отогнутой части днища можно делать не больше ширины транца, а высоту отгиба — не больше 2— 3 мм. Для модели это условие выполнить трудно.

 




 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если модель, построенная с прямым килем, имеет на ходу большой дифферент, «тащит» за собой воду и не развивает нужной скорости, то за кормой модели (на транце) полезно установить «транцевую плитку» (по­лоску жести шириной 40—50 мм, отклонен­ную вниз). Угол отклонения транцевой плит­ки подбирают опытным путем, а регулируют специальной тягой с талрепом (рис. 51).
Поднимать линии киля и скулы кверху у быстроходных судов нельзя, так как это при­ведет только к значительному увеличению дифферента на корму, росту сопротивления движению и уменьшению скорости.
Формы скулы корпуса модели. Скула на­чинается от транцевого шпангоута (по отно­шению линии киля), поднимается постепенно к носу и заканчивается у форштевня. Боль­шая часть линии скулы представляет собой или прямую, или плавную кривую линию, об­ращенную выпуклостью вниз.
Форма линии скулы зависит от килеватости днища и формы шпангоутов. Значитель­ный подъем скулы в носу увеличивает изме­нение килеватости по всей длине судна, что ведет к увеличению сопротивления движе­нию. Слабо поднятая впереди линия скулы, пересекающаяся с конструктивной ватерлини­ей примерно на 1/3 длины судна от форштев­ня, вполне обеспечивает хорошие ходовые ка­чества на больших скоростях. В корме на длине, равной около 1/2 ширины транца, це­лесообразно сохранять параллельность скуло­вой и килевой линии или делать ее в этом месте с очень небольшим подъемом (не более 2°) в сторону носа. Очень часто эту параллельность (скуловой и килевой линий)' про­должают до миделыппангоута, т. е. сохраняя от транца до миделя одну и ту же килеватость. Днища с такими обводами получили название «моногедрон», они обеспечивают хорошие ходовые качества, особенно на моделях. Корпус модели с этими обводами пока­зан на рис. 49, где от транца до середины со­храняется одна и та же килеватость.
С целью улучшения поворотливости и уменьшения опасности опрокидывания на циркуляции иногда в кормовой части делают «скошенную» (двойную) скулу (рис. 52). Эта скула образуется скошенным участком дни­ща на длине, несколько превышающей поло­вину длины корпуса. На циркуляции набе­гающие струи воды, взаимодействуя со ско­шенными участками днища, создают благо­приятный кренящий момент, направленный внутрь циркуляции, что уменьшает опасность опрокидывания при поворотах на больших скоростях и уменьшает диаметр циркуляции. При очень высоко расположенном центре тя­жести глиссирующее судно опрокидывается во внешнюю сторону циркуляции. Для пред­отвращения опрокидывания все грузы на мо­дели надо располагать как можно ниже, а корпус должен быть достаточно широк. Что­бы добиться возможно большей поворотливо­сти, часто под днищем модели устанавлива­ют перо-плавник. Устанавливать его рекомен­дуют на расстоянии от транца, равном 1,4— 1,5 ширины транца.

 

СУДА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ
Стремление увеличить скорость хода за счет устранения сопротивления воды движению судна привело к изобретению судов на подводных крыльях.
У этих судов весь корпус движется в воз­духе, опираясь на подводные крылья. Многие юные корабелы успешно строят модели на подводных крыльях.
Подводное крыло вода обтекает и сверху и снизу. Нижняя часть крыла, расположенная к потоку под углом атаки, несколько откло­няет поток вниз. Отклонение и подтормаживание потока, т. е. изменение его направле­ния и скорости, создает давление воды на нижнюю поверхность крыла.
Поток воды, обтекающий крыло сверху, встречая выпуклую его часть, получает мест­ное ускорение, от этого над спинкой крыла возникает разрежение, которым крыло как бы подсасывается вверх (рис. 53).
Вследствие этого развивается гидродина­мическая подъемная сила, в 3—4 раза превос­ходящая подъемную силу глиссера. Величина гидродинамической силы крыла зависит от скорости движения, размеров крыла, угла атаки а и профиля сечения. Последние могут быть, как и у гребных винтов, плосковыпук­лыми и сегментными.
Величина наивыгоднейшего угла атаки крыльев около 6—8°. При больших углах ата­ки сильно возрастает сила сопротивления крыла. Удельная нагрузка двигателей судов на подводных крыльях должна быть не более 25—30 кг на 1 л. с, т. е. такая же, как и у глиссирующих судов. У моделей судов на подводных крыльях, если они оснащены электродвигателями, удельная нагрузка должна быть не более 20—25 г на 1 Вт.
На современных судах устанавливают два основных типа подводных крыльев: пересе­кающие поверхность воды, в том числе V-образные, трапециевидные, аркообразные, по форме «этажерки», «лестницы», а также пол­ностью погруженные крылья плоские (рис. 54). Первые часто применяются на малогаба­ритных и на любительских катерах, а вторые на пассажирских судах




Форма подводных крыльев в плане разнообразна. На судах с полностью погруженны­ми крыльями наиболее распространены пря­моугольные и стреловидные крылья. Стреловидное крыло ставится обычно в носу судна. Это улучшает устойчивость судна (модели) на курсе, мореходность и устойчивость на цир­куляции. В корме судна обычно ставятся крылья прямоугольной в плане формы или с небольшой (5—10°) стреловидностью. При­мерная схема расположения полностью погруженных крыльев показана на рис. 55.
Обводы корпуса судов с полностью погру­женными крыльями делаются обычно глисси­рующими, но с большей килеватостью днища.
При проектировании модели катера на под­водных крыльях можно применить любые глиссирующие обводы корпуса с У-образными или трапециевидными несущими крыль­ями.
Суда на подводных крыльях развивают скорость большую, чем водоизмещающие или глиссирующие суда. Их мореходность выше, чем мореходность глиссеров, так как они способны идти над волнами (рис. 56). Совет­скими инженерами спроектировано и по­строено много типов судов на подводных крыльях, в том числе «Ракета», «Метеор», «Спутник», «Вихрь», «Чайка», «Коме­та», «Стрела».