Форма обводов оконечностей судна

 

Обводы оконечностей должны обеспечить высокие показатели ходкости и мореходности судна. С точки зрения ходкости форма обводов должна способствовать не только наименьшему сопротивлению движения судна, но и достижению максимально возможного пропульсивного кпд движителей, с тем, чтобы обеспечить заданную скорость при минимальной мощности главных двигателей. Для судов, плавающих в условиях волнения, обводы носовой оконечности должны обеспечивать хорошую всхожесть на волну, приемлемые уровни заливания и забрызгивания открытых палуб и надстроек.

Проектирование формы обводов носовой оконечности связано с выбором формы носовой ветви строевой по шпангоутам, носовой ветви конструктивной ватерлинии (КВЛ), угла притыкания КВЛ к диаметральной плоскости, формы носовых шпангоутов и форштевня.

В тех случаях, когда КВЛ в носу имеет выпуклую или прямую форму, носовая ветка строевой по шпангоутам обычно получается S -образной. Форма верхних подводных ватерлиний и КВЛ в носовой оконечности влияет на величину волнового сопротивления, поскольку изменяет поле давлений в носовой части судна. В области максимальных давлений, то есть там, где носовая волна при ходе судна имеет наибольшую высоту, желательно иметь наименьший угол между ДП и касательной к ватерлинии. В этом случае горизонтальная составляющая от силы давления воды, направленная вдоль ДП и образующая существенную часть волнового сопротивления, будет возможно меньшей. По данным В.И. Юркевича [4] зона максимальных давлений должна лежать впереди точки перегиба КВЛ. Отстояние этой точки от носа может быть найдено по следующему выражению, полученному на основе экспериментальных данных

 

X/L = 1,525 Fr – 0,25.

(7.38)

 

Из этой формулы следует, что при Fr < 0,16 носовая ветвь КВЛ не должна иметь точки перегиба и, следовательно, должна быть выпуклой или прямой. Данный формальный вывод вполне соответствует и физическому смыслу, поскольку при этих относительных скоростях доля волнового сопротивления незначительная, а коэффициент полноты водоизмещения для тихоходных судов принимает большие значения.

При Fr = 0,33 положение точки перегиба принимает значение X/L = 0,25. то есть перемещается на середину длины носовой оконечности. Это вызывает большие конструктивные неудобства, связанные с малой полнотой в носу. В этой связи на этом участке КВЛ придают вид прямой.

Общая картина связи угла носового заострения КВЛ Y _н со скоростью хода представлена на рис. 7.9. По данным В.А. Семеновой-Тян-Шанской приближенная формула для определения этого угла КВЛ имеет вид

Y _н / 2 = 52 – 139 Fr.

Угол заострения в носу средней ватерлинии равен

0,5 Y _нс = 47 – 134 Fr.

При этом отмечено, что соотношение между этими величинами весьма стабильное

= 1,13±0,06.

Необходимо отметить, что минимальное значение угла Y _н / 2 не должно быть менее 8°, что определяется технологическими условиями и требованиями к прочности носовой части при косом направлении волнения.

 

Рис. 7.9. Заострение носовых ватерлиний

 

Степень заостренности кормы влияет на плавность схода линий бока с корпуса судна. При отрывном обтекании, которое имеет место при полных обводах кормы, образуются вихри, приводящие к увеличению сопротивления формы. В качестве меры заостренности оконечности используется величина тангенса угла встречи средней ватерлинии с диаметральной плоскостью, которая может быть определена по формуле

 

(7.40)

 

где L _к – длина кормового заострения; j _к – коэффициент полноты кормового заострения.

При отсутствии цилиндрической вставки значения этой заостренности не приводит к существенному увеличению сопротивления. При наличии цилиндрической вставки недостаточная заостренность кормовой оконечности может привести к заметному повышению сопротивления. Беккер в качестве критерия предельно допустимого значения кормового заострения ввел величину

k _В = l _кз j ^1/2l^3/2³ 4,1,

где l _кз – относительная длина кормового заострения; l – относительная длина судна.

Критерий Беккера по своей роли в известной степени перекликается с задачей выбора длины цилиндрической вставки и ее положения по длине судна (см. рис. 7.7), так как, решая (7.4) относительно l _кзполучим необходимую заостренность кормы

Следует иметь в виду, что выбор l _кзне дает полной гарантии исключения сильного вихреобразования в корме. Для ликвидации вихреобразования следует обеспечить соответствующий характер кормовых ватерлиний, а именно, желательно, чтобы угол между касательной к ватерлинии и ДП не превышал 30°.

Обводы кормовой оконечности самоходного судна должны быть приспособлены для оптимального размещения и работы движительного комплекса.

Форма кормы влияет как на сопротивление, так и на характеристики взаимодействия движителей с корпусом. Особенно заметно это влияние на характеристики взаимодействия судов с туннельной кормой, которая характерна для толкачей и буксирных судов, а также судов других типов, работающих в условиях ограниченной осадки. Существенную роль при этом оказывает величина кормового свеса h _св и угол наклона винтового батокса q ₁ (рис. 7.10). По данным Б.М. Сахновского достаточно высокие показатели пропульсивных качеств толкачей с туннельными образованиями кормы могут быть получены при следующих значениях элементов кормовой оконечности:

с = (0,33¸0,45) L = (6¸7) h _т; q ₁ = 12¸20°;

l ₁ = (0,09¸0,12) L; h _св = (0,12¸0,32) Т.

 

 

Рис. 7.10. Элементы кормовой оконечности с туннельными образованиями

 

Эти значения хорошо согласуются с данными анализа кормовых обводов по 19 толкачам, выполненный в США. Для них с точностью ± (10 ± 20)% характерны следующие значения элементов туннельной кормы:

с = 0,37 L; l ₁ = 0,10 L; q = 16,5°.

Приведенные выше рекомендации описывают общие закономерности, связывающие те или иные параметры формы корпуса, и его обводов со скоростью хода судна. Их следует иметь в виду, прежде всего на начальных стадиях проектирования, поскольку на последующих этапах разработки проекта, в ходе конкретных систематических модельных испытаний в бассейне, можно получить с учетом конкретных особенностей судна и другие решения, касающиеся формы его корпуса.

Кроме того, ходкость судна и его гидродинамическое сопротивление существенно зависят от внешних условий (мелководье, стесненность фарватера и т.д.), что особенно актуально для судов внутреннего и смешанного (река-море) плавания. В этом случае может коренным образом меняться характер обтекания корпуса, что должно учитываться при обосновании его формы.