Определение водоизмещения, основных размерений и
выбор обводов корпуса
Определение скорости хода и потребной мощности двигателя
Выше было показано, как выбрать главные размерения и обводы корпуса
моторного судна исходя из заданной скорости или заданной мощности
двигателя или из того и другого вместе. Однако часто требуется решить и
обратную задачу, т. е. установить, какой двигатель нужен для имеющегося
корпуса, чтобы обеспечить определенную скорость хода, или какую скорость
судна можно получить для данного корпуса и двигателя.
Нам уже известно, что скорость моторного судна зависит от сопротивления,
которое оказывает вода его движению. Если определить это полное
сопротивление R, то легко можно найти мощность, необходимую для его
преодоления, так называемую буксировочную мощность N6
Сопротивление воды можно определить:
1) аналитическим путем;
2) методом испытания модели корпуса судна с дальнейшим пересчетом на
натуру;
3) натурными буксировочными испытаниями;
4) по приближенным формулам и графикам.
Модельные испытания требуют сложной аппаратуры, серьезной подготовки и в
силу этого не могут быть применены любителями.
Точный аналитический метод расчета сопротивления разработан не для всех
режимов движения, кроме того, он слишком сложен для любителей, поэтому
ниже даны методы определения сопротивления воды по приближенным формулам
и графикам.
Суда, движущиеся в режиме плавания и начале переходного. Составляющие
сопротивления воды указанных судов с О-, U-образными и подобными
обводами можно определить по приведенным ниже формулам.
Сопротивление трения (кГ) вычисляют по упрощенной формуле Фоуда
Rrp=fSv*v
где f - коэффициент сопротивления трения,
зависящий от длины мотосудна и состояния наружной обшивки;
s - смоченная поверхность мотосудна, v -
скорость, м/сек.
Значения сопротивления <голого> корпуса, приведенные в табл. 27,
получены без учета влияния ветра, волнения и выступающих частей::
кронштейнов гребных валов, рулей, выступающих частей дейдвудных труб,
заборных патрубков и т. п.
Сопротивление выступающих частей, увеличивающееся пропорционально
квадрату скорости, может достигать 10-20% полного сопротивления у
рассматриваемых мотосудов (до 20% у глиссирующих мотосудов).
Рис. 54. Диаграмма для определения удельного
остаточного сопротивления мотосудов с V-образными обводамн (на кривых
указаны
числа Фруда).
Конструкция выступающих частей должна обеспечить минимальное
сопротивление их на ходу и гармонировать с плавной поверхностью
подводной части корпуса. Целесообразное сечение стойки кронштейна
гребного вала показано на рис. 55. Круглые сечения недопустимы. Выходы
дейдвудных труб из корпусов желательно прикрывать обтекателями. При
соблюдении этих рекомендаций коэффициент сопротивления выступающих
частей (по данным Хеншке):
Мотосуда с вннтом, расположенным в вырезе кормового
дейдвуда .....................1,03-1,06
Одновинтовые мотосуда с гребным валом, установленным
на кронштейне ..................1,06-1,08
Двухвинтовые мотосуда с кронштейнами гребных валов 1,08-1,12
Каждое судно при движении, кроме гидродинамического сопротивления,
преодолевает сопротивление воздуха. Воздушное сопротивление при
отсутствии ветра незначительно, однако при встречном ветре (и особенно
при ветре в скулу) и наличии рубки его следует учитывать. Практически
его принимают, увеличивая общее сопротивление на 4-8% в зависимости от
района плавания, быстроходности судна и наличия на нем рубки.
Принимая для расчетного случая kB = 1,07 и /гВОзд = 1,06, получим
полное сопротивление (см. табл. 27, графа 6) и необходимую буксировочную
мощность (графа 7).
По данным табл. 27 построен рис. 56. Такое графическое изображение
результатов удобно для определения скорости при заданной мощности для
последующего расчета гребного винта; оно дает наглядное представление о
влиянии отдельных составляющих на общее сопротивление и характере
их изменения, позволяет судить о выгодных диапазонах скоростей и в
некоторой степени дает возможность контролировать правильность расчета.
Для определения скорости на график в том же масштабе, что и
сопротивление, наносят кривую vпopa Р из расчета гребного винта.
Пересечение ее с кривой полного сопротивления будет искомой скоростью.
Если данные об упоре винта отсутствуют, можно рассчитать эффективную
мощность по буксировочной (см. табл.27, графа 7), принимая
ориентировочно к. п. д. винта 0,55-0,60 для всех скоростей. Построив
кривую Ne в зависимости от скорости на этом же графике, легко определить
скорость по имеющейся мощности двигателя. Все это сделано на рис. 56.
Небольшие расхождения в скорости по кривой Р и по кривой Ne вызваны
именно приближенным характером последней.
Расчетная скорость на рис. 56 составляет примерно 15 км/ч, а в табл. 3
скорость этого катера 13 км/ч. Такое расхождение объясняется тем, что в
расчете получена наибольшая достижимая скорость при полной мощности
двигателя, в то время как эксплуатируется он при пониженной мощности.
Кроме того, на результатах расчета сказывается несовершенство исполнения
отдельных частей мотосудна (корпуса, движителя и пр.) и некоторая
неточность расчета. Однако в целом предлагаемый метод позволяет
достаточно уверенно судить о возможной скорости для заданных условий.
Рис. 56. Сопротивление и буксировочная мощность
туристского катера Пикап.
Кривая полного сопротивления R при скорости 13 км/ч имеет перегиб.
Этот перегиб обусловлен кривой волнового сопротивления Rb, которая для
всех судов в режиме плавания имеет характерный <горб> при относительной
скорости 0,5, что для рассматриваемого катера составляет как раз 13
км/ч. Таким образом, рабочая скорость катера находится в невыгодном
диапазоне. Далее участок кривой R имеет плавный подъем, и при небольшом
увеличении мощности можно получить существенный прирост скорости. Так,
если увеличить скорость с 10 до 12 км/ч, т. е. на 20%, сопротивление
возрастает с 21,8 до 42,6 кг, т. е. на 100% (а буксировочная мощность на
122%), а если увеличить скорость на 20% после 12 км/ч, т. е. до 14,4
км/ч, сопротивление увеличится с 42,6 до 55 кг - всего на 29%. Ясно, что
более выгодной для рассматриваемого катера была бы скорость ~15 км/ч.
Такой анализ кривых сопротивления при проектировании мотосудна поможет
выбрать наиболее рациональное сочетание мощности и скорости и вполне
оправдает затраты труда и времени на производство этих расчетов.
Суда, движущиеся в конце переходного режима и глиссирующие.
Сопротивление воды движению глиссирующего мотосудна зависит главным
образом от водоизмещения, положения его ЦТ по длине, от ширины днища,
угла килеватости, смоченной площади днища на ходу и ее длины и угла
ходового дифферента. Из перечисленных величин три последние -
переменные, зависящие от скорости, поэтому основной задачей расчета
является определение этих величин для заданной скорости. Поскольку
последняя неизвестна, следует, как и в предыдущем случае, задаться рядом
скоростей, которые перекрывают в большую и меньшую стороны ожидаемую
скорость мотосудна (определенную хотя бы по статистическим данным), и
произвести расчет отдельно для каждой скорости.
Ниже на примере расчета сопротивления для спроектированной мотолодки
использован метод Д. Стольца [21]. Этот метод можно применять при
расчете мотосудов водоизмещением до 9 т с шириной днища до 2,4 м и углом
килеватости днища не более 12°.
