Определение водоизмещения, основных размерений и
выбор обводов корпуса
Моторные суда на подводных крыльях
Схема с малопогруженными крыльями обладает высоким
гидродинамическим качеством, обеспечивает быстрый выход на крыльевой
режим (при меньшей скорости), ее габаритные размеры по ширине и глубине
меньше по сравнению с предыдущими схемами, она проста в изготовлении.
Основной недостаток рассматриваемой схемы - невысокие мореходные
качества вследствие чувствительности к волнению. При прохождении над
крылом вершины волны, т. е. при большем погружении, его подъемная сила
увеличивается, а в момент прохождения подошвы волны крыло погружено
минимально, и подъемная сила резко падает. Это приводит к большим
вертикальным колебаниям судна, сильным ударам корпуса о воду и к
значительному снижению скорости, вплоть до перехода на режим плавания.
Рис. 64. Кормовое подводное крыло, закрылок и
вннто-рулевой комплекс СПК
Для улучшения мореходности мотосудна с малопогруженными крыльями
рекомендуется устанавливать дополнительные элементы.
Таким элементом может быть дополнительное крыло, установленное под
основным (рис. 63, в слева). Благодаря более глубокому погружению оно
меньше подвержено влиянию волнения, создает постоянную подъемную силу,
стабилизирующую движение СПК, но вместе с тем увеличивает габаритную
осадку и легко может быть сломано. Другой вариант, лишенный этих
недостатков - устройство уступа в основном крыле (рис. 63, б слева
внизу). Угол при вершине уступа рекомендуется принимать 110-130°, а
размах в пределах 0,4-0,5 полного размаха крыла. Площадь дополнительного
крыла должна обеспечить подъемную силу, равную 30-50% подъемной силы
основного крыла.
Возможен вариант и с установкой дополнительного крыла над основным (рис.
63, в справа), причем дополнительное крыло облегчает выход судна на
крылья, а на расчетном режиме полностью выходит из воды. Ясно, что оно
не может препятствовать проваливанию основного крыла на волнении, но
демпфирует удары корпуса, так как при входе в воду создает
дополнительную подъемную силу, уменьшая тем самым амплитуду килевой
качки. Этой же цели служат и закрылки, устанавливаемые настойках (рис.
64).
г). Подъемная сила крыльев регулируется за счет изменения угла атаки
кормового крыла. В начале движения такого судна передние крылья или
поплавки, находясь полностью в воде, работают как обычные подводные
крылья. С ростом скорости они выходят на поверхность и глиссируют по
ней, причем с дальнейшим возрастанием скорости судно как бы
поворачивается вокруг них, так как основное крыло поднимается.
Вследствие этого угол атаки подводного (кормового) крыла уменьшается и
уменьшается его подъемная сила. С падением скорости происходит обратное
явление. Таким образом происходит саморегулирование основного крыла,
несущего 85-90% нагрузки.
Рис. 65. Форма подводных крыльев в плане.
Рис. 66. Профили подводных крыльев.
Крупные СПК такой схемы показали хорошую устойчивость хода и
мореходность, но на малотоннажных судах эта схема не получила широкого
распространения вследствие того, что на мелких волнах носовые крылья
начинают прыгать по волнам, вызывая тряску корпуса.
Кроме перечисленных схем с саморегулированием, разработаны и применяются
различные системы с автоматическим регулированием подъемной силы
подводных крыльев, но их изготовление возможно только в заводских
условиях и поэтому они здесь не рассматриваются.
Для любительской постройки наиболее приемлемы схемы а) и в) (см. рис.
63).
В зарубежной практике обычно используют комбинацию этих двух схем, т. е.
носовое крыло делают V-образным, а кормовое - полностью погруженным, с
разными формами крыльев в плане и профилями. Специалисты считают, что
такое сочетание способствует лучшей стабилизации, так как при килевой
качке можно избежать вертикальных колебаний кормового крыла в унисон с
движением носового.
Основные геометрические характеристики подводного крыла - форма крыла в
плане (рис. 65); форма профиля крыла (рис. 66): I - размах крыла, т. е.
расстояние между крайними точками крыла по ширине судна (см. рис. 65); Ь
- хорда крыла, т. е. длина профиля крыла в направлении движения (см.
рис. 66);
Прямоугольная форма наиболее проста в изготовлении, обладает хорошими
гидродинамическими качествами и наиболее широко применяется для
малопогруженных и пересекающих поверхность воды крыльев. Однако для
малопогруженных крыльев рекомендуется не-бэльшая стреловидность (в
пределах g = 10 + 20°), что немного улучшает мореходность, устойчивость
на курсе и прочность крыла при ударе о плавающие предметы.
Трапециевидные или с уширенными концами крылья рекомендуются при
крыльевой системе с пересечением поверхности воды. Они улучшают ходовые
качества СПК на волнении, повышают остойчивость и позволяют немного
уменьшить габариты крыльевого устройства.
Важнейший элемент крыла - его профиль, т. е. форма сечения,
перпендикулярного размаху. Распределение толщин по длине профилей в
зависимости от максимальной:
а) для сегментного профиля со смещенной
максималвной толщиной
б) для симметричного сегментного профиля
в) для двояковыпуклого профиля, применяемого для
стоек.
Наиболее совершенным для скоростей не более 100 км/ч является профиль
(а), обладающий высоким гидродинамическим качеством и обеспечивающий
устойчивое движение как при большом погружении, так и вблизи свободной
поверхности воды.
Смещение максимальной толщины на середину профиля несколько снижает
гидродинамическое качество, но благодаря более равномерному
распределению разрежения на верхней стороне крыла отдаляет момент
наступления кавитации. Это явление заключается в следующем. Известно,
что если при нормальном атмосферном давлении вода закипает при
температуре 100° С, то при уменьшении давления точка кипения воды
понижается (например, при давлении 0,024 атм вода закипает при 20° С). С
возрастанием скорости вследствие разрежения на верхней поверхности крыла
давление там может уменьшиться до давления насыщенного пара, при котором
начинает закипать вода с образованием пузырьков пара. При этом около
крыла образуется полость, заполненная парами воды - вода как бы
отрывается от крыла. От латинского слова cavitas - пустота и произошло
название кавитации. В первой стадии кавитации такие каверны - пустоты
образуются на небольшом участке крыла, в зоне максимального разрежения
(см. рис. 11), поэтому гидродинамическое качество крыла существенно не
меняется. Обтекание крыла в начальной стадии кавитации носит
неустановившийся характер: каверны появляются, смываются потоком воды и
снова появляются. Эту стадию кавитации сопровождает шум, иногда вибрация
и, главное, сильное эрозионное разрушение материала крыла. Образующиеся
в точке наименьшего давления кавитационные пузырьки потоком воды
перемещаются по крылу и попадают в область более высокого давления.
Здесь пузырьки, заполненные парами воды и воздухом, сначала сжимаются, а
затем разрушаются. В освобождающееся пространство с большой скоростью
устремляется вода. Это явление носит характер гидравлического удара, при
котором вследствие весьма малой площади приложения возникают большие
давления (до нескольких тысяч атмосфер). В результате поверхность крыла
в месте замыкания каверн подвергается сильным и частым местным
гидравлическим ударам, вызывающим механическое разрушение, так
называемую кавитационную эрозию.
По мере повышения скорости, т. е. дальнейшего уменьшения давления, зона
кавитации увеличивается, распространяясь все шире и ближе к задней
кромке.
Вторая стадия кавитации наблюдается тогда, когда вся верхняя поверхность
крыла охвачена кавитацией и замыкание каверны происходит вне крыла. В
этом случае разрушение каверны, а следовательно, и гидравлические удары
происходят в потоке за крылом и механическое разрушение не угрожает
крылу.
Во второй стадии давление на крыле остается постоянным, равным давлению
насыщенных паров. Эпюра сил в отличие от изображенной на рис. 11
принимает форму, близкую к прямоугольнику, с меньшей площадью, поэтому
гидродинамические характеристики крыла ухудшаются.
Из изложенного ясно, что работа крыла в области кавитации нежелательна.
В первой стадии это приводит к разрушению крыла, а во второй - к
снижению эффективности. Для того чтобы избежать кавитации и обеспечить
наиболее высокие качества, подводные крылья должны иметь:
1) острые входящие и выходящие кромки;
2) минимальную толщину, необходимую по условиям прочности; практически
относительную толщину принимают б = 0,04-=-0,08,. причем при верхнем
пределе крыло получается более прочным, но в большей степени подвержено
кавитации;
3) расчетный угол атаки, не превышающий 1,5-3°;
4) гладкую поверхность (лучше полированную).
Изображенные на рис. 66 профили крыльев разработаны с учетом этих
рекомендаций.
Таким образом, так называемые докавитационные профили (см. рис. 66)
обеспечивают практически весь достижимый в любительских условиях
диапазон скоростей (при больших скоростях используют суперкавитирующие
крылья, которые здесь не рассматриваются).
Наиболее сложным вопросом проектирования СПК является определение
площади крыльев. Как известно, крыльевое устройство должно обеспечить
поддержание всего веса мотосудна.
Между крыльями нагрузка обычно распределяется равномерно или с
некоторым превышением (до 5-10%) на носовом крыле. Это достигается
соответствующим размещением крыльев относительно ЦТ мотосудна, положение
которого определяют обычным методом. Указанная рекомендация не относится
к мотосудам с носовым поплавком (см. рис. 63, г), который должен нести
всего 10-15% нагрузки.
Скорость можно определить несколькими способами. В случае установки
подводных крыльев на имеющийся корпус, ходовые качества которого
известны при различных нагрузках, скорость на крыльях при одинаковых
водоизмещении и мощности двигателя можно принять равной 1,2-1,3 скорости
глиссирующих судов и 1,5-1,7 скорости V-образных мотосудов переходного
режима движения.
В условиях любительского судостроения постройку нередко производят по
выбранному прототипу, но желая изменить некоторые параметры. В таком
случае используют метод пересчета по коэффициенту масштаба, сущность
которого изложена в 7. Проектируемое по данному методу СПК должно быть
подобно прототипу по обводам корпуса, расположению крыльевого устройства
и геометрическим характеристикам крыльев, которые также определяются
масштабом пересчета.
Площадь крыльев по приведенной формуле определяется для движения с
расчетной скоростью v, но в момент отрыва корпуса от воды, когда
скорость равна 40-60% расчетной, это уменьшение скорости компенсируется
самоувеличением коэффициента подъемной силы Су. Происходит это по двум
причинам.
Во-первых, в начальный период движения, до выхода на крыльевой режим,
дифферент мотосудна больше, чем на расчетной скорости, а следовательно,
больше угол атаки а крыльев. Коэффициент подъемной силы крыла
увеличивается с увеличением угла атаки, в данном случае это увеличение
составляет 20-50%.
Во-вторых, плоские полностью погруженные крылья на расчетной скорости
погружены мало, а в момент отрыва их погружение значительно больше, что
приводит к увеличению подъемной силы (на 50-100%).
Этих факторов достаточно для обеспечения отрыва от воды легких судов на
подводных крыльях водоизмещением не более 1000 кг,-площадь крыльев
которых определена по приведенной формуле при расчетной скорости v. Для
более тяжелых мотосудов и при большой относительной скорости эту площадь
следует увеличить в 1,5-2 раза. При пересекающих поверхность воды
наклонных крыльях (см, рис. 63, а) это достигается за счет концевых
участков или наклонных элементов, которые при малых скоростях погружены
в воду и создают дополнительную подъемную силу, а с ростом скорости до
расчетной выходят из воды. На мотосудах с плоскими, полностью
погруженными крыльями для этой цели необходимо установить дополнительные
крылья, глиссирующие элементы, закрылки и т, п., о которых уже
говорилось выше.
После расчета площади крыла по приведенной формуле определяют остальные
его геометрические характеристики.
Размах крыла I назначается по конструктивным соображениям с учетом
обеспечения высокого гидродинамического качества, поперечной
остойчивости мотосудна на ходу и достаточной прочности крыла. Для
улучшения первых двух следует увеличить размах крыла (точнее,
увеличивать относительное удлинение крыла 31), однако это приводит к
увеличению габаритов по ширине. Обычно относительное удлинение принимают
в пределах X. = 7-н12 таким образом, чтобы размах крыла (для наклонного
пересекающего поверхность воды крыла это размах смоченной площади при
расчетной скорости, который обычно равен примерно половине полного
размаха) был примерно равен ширине корпуса. Во всяком случае
относительное удлинение не должно быть менее 5. Размах кормового крыла
рекомендуется принимать 1К - (0,75-н0,85) /н с тем, чтобы оно двигалось
полностью в ложбине от носового крыла.
