Способ стабилизации движения и снижения потребляемой мощности судна на подводных крыльях и устройство для его осуществления в виде кормового механизма коррекции характеристик управляемости судна
Владельцы патента RU 2262462:
Открытое акционерное общество "Павловский машиностроительный завод ВОСХОД"-ОАО "ПМЗ ВОСХОД" (RU)
Изобретение относится к судостроению, а именно к судам на подводных крыльях. Способ стабилизации движения и снижения потребляемой мощности судна на подводных крыльях заключается в том, что посредством кормового механизма коррекции осуществляют варьирование отстоянием кормового крыла от корпуса судна и его гидравлическую фиксацию в любой точке отстояния. При этом, при начале разгона судна из состояния свободного плавания, кормовое крыло поднято заподлицо с днищем, а по мере разгона оно опускается на рабочую глубину, обеспечивая отрыв от воды корпуса судна. Кормовой механизм коррекции характеристик управляемости состоит из подъемно-выдвижного рамочного устройства, гидродвигателей и гидравлической системы управления. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационно-технических показателей судов на подводных крыльях в части снижения потребляемой мощности, расхода топлива и реализации возможности осуществлять необходимую коррекцию характеристик управляемости судна при его движении на всех режимах плавания. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к судостроению, касается создания высокоскоростных судов на подводных крыльях (СПК) и может быть использовано в водных транспортных средствах, а более конкретно реализовано на СПК.
Известны СПК, у которых крыльевое устройство состоит из двух крыльев: носового и кормового. Крылья крепятся к корпусу тремя стойками, две из них расположены по бортам на концах крыла и одна в диаметральной плоскости (ДП). Для кормового крыла в качестве опоры в ДП использован кронштейн гребного вала. Стойки крыльев сделаны разъемными, нижняя часть стоек приварена к крылу, а верхняя крепится болтами к корпусу. Соединение стоек на фланце - болтовое. Изменение установочного угла атаки производится постановкой клиньев между фланцами нижней и верхней частей стоек (см. Зайцев Н.А., Маскалик А.И. «Отечественные суда на подводных крыльях», Ленинград, издательство «Судостроение», 1967 г., с.136, рис.87-89).
В книге приведена конструкция крыльев пассажирского теплохода «Ракета». Данную конструкцию, как и другие подобные конструкции теплоходов «Метеор», «Буревестник» и др., отличают простота и достаточно надежная схема крыльевых устройств с малопогруженными, жестко закрепленными на корпусе подводными крыльями, однако выход таких типов судов на подводные крылья при максимальной нагрузке обеспечивается установкой крыльев при сборке судна с постоянным и завышенным углом атаки, что снижает их гидродинамические, скоростные качества при движении судна на крыльевом режиме.
Судно с малопогруженными крыльями имеет достаточно высокие гидродинамические качества на эксплуатационных скоростях, однако возможность реализации этого качества связана с режимом выхода судна на подводные крылья. В диапазоне скоростей (0,4...0,6)Vэ судно имеет минимальное гидродинамическое качество, так как в этом диапазоне располагается так называемый «горб максимального сопротивления» (см. Зайцев Н.А., Маскалик А.И. «Отечественные суда на подводных крыльях», Ленинград, издательство «Судостроение», 1967 г., с.41, рис.31). На «горбе максимального сопротивления» гидродинамическое качество отечественных судов на подводных крыльях составляет 8...11 вместо 12...16 на эксплуатационных скоростях.
Наличие «горба сопротивления» обусловлено сопротивлением воды, которое увеличивается пропорционально квадрату скорости судна, а это значит, что для обеспечения даже незначительного увеличения скорости судна требуется существенно увеличивать мощность двигателя.
На построенных судах на подводных крыльях доля полезной нагрузки составляет всего 30...32% (с учетом топлива) от полной массы судна. Для повышения доли полезной нагрузки, а следовательно, и увеличения экономической эффективности необходимо искать пути снижения массы судна и ее составляющих, а также доли потребляемой мощности, необходимой для движения СПК на всех режимах плавания.
Наличие «горба сопротивления» не позволяет реализовать в максимальной степени гидродинамическое качество крыльев, поэтому параметры двигателя выбираются не из условия его оптимальности в районе максимального гидродинамического качества (достижения максимальной скорости судна), а из условий обеспечения судну упора, необходимого для преодоления «горба сопротивления» при выходе судна на подводные крылья.
На современных СПК типа «Ракета», «Метеор», «Беларусь», «Чайка», «Комета» и др. СПК для преодоления «горба сопротивления» при разгоне с полностью погруженными крыльями и приводом гребного винта потребляемая мощность двигателя практически в 1,5...2 раза превышает мощность, необходимую для поддержания движения СПК в эксплуатационном режиме, несмотря на использование встроенных активных элементов увеличения подъемной силы, выходящих из воды по мере роста скорости и подъемной силы основных несущих плоскостей (см. Зайцев Н.А., Маскалик А.И. «Отечественные суда на подводных крыльях», Ленинград, издательство «Судостроение», 1967 г., с.с.123, 165, 227, 256, 257 и 317 соответственно).
Наиболее близким по совокупности признаков является способ стабилизации движения СПК, осуществляемый посредством двух устройств - носового и кормового крыльев, позволяющих в случае необходимости при движении судна одновременно изменять отстояние от корпуса обоих крыльев с механической фиксацией двух положений:
- с максимальным отстоянием от днища корпуса судна, т.е. в нижнем положении, обеспечивающим необходимое рабочее погружение крыльев;
- с минимальным отстоянием, т.е. в верхнем положении, с заниженной величиной заглубления крыльев, при этом используются подъемно-выдвижные закрытые рамочные устройства, каждое из которых содержит несущее крыло со стойками и жестко соединяющую их в верхней части опорную штангу и устанавливается в направляющих элементах корпуса с возможностью вертикального перемещения, качения и взаимодействия с изолированно расположенными силовыми гидроцилиндрами управления и с приводом гребного винта (для кормового механизма) (патент ФРГ №1072133, кл. 65 a11 от 09.06.1960 г.).
Известный способ стабилизации движения судна путем одновременного ступенчатого уменьшения заглубления обоих крыльев разработан авторами изобретения с целью обеспечения надежности и безопасности плавания в условиях сильного волнения водной среды и при поворотах на курсе, когда возникают значительные дополнительные поперечные силы, создающие закритические динамические изгибающие моменты на крыльевые устройства и давления на корпус судна, способные привести к деформации и разрушению крыльевых устройств и их опорных элементов. При движении судна с уменьшенным заглублением крыльев (в режиме «приседание») снижаются динамические нагрузки от внешних воздействующих факторов и такой режим отвечает требованиям оптимального взаимодействия подводных крыльев, корпуса судна и водной среды.
Недостатком этого способа является то, что возможность его осуществления рассчитана применительно к движению судна на крыльевом режиме с соблюдением определенной синхронизации работы гидроцилиндров управления обоими крыльевыми устройствами. Кроме этого, переход с крыльевого режима движения судна на режим «приседание» с применением указанного способа стабилизации связан с необходимостью увеличения углов атаки обоих крыльев для поддержания постоянства их подъемной силы, что и предусмотрено в известных рамочных устройствах.
Наиболее близким по совокупности признаков технического решения к заявленному изобретению по способу и устройству являются устройства (механизмы), уменьшающие отстояние от корпуса судна обоих крыльев одновременно во время движения. Эти устройства выполнены в виде закрытых подъемно-выдвижных рамочных механизмов, каждый из которых включает несущее крыло со стойками (пилонами) и жестко соединяющую их в верхней части опорную штангу и установлен в направляющих элементах корпуса судна с возможностью вертикального перемещения в одно из двух заданных положений с фиксацией в этих положениях, качания и взаимодействия с изолированно (автономно) расположенными силовыми гидроцилиндрами управления и приводом гребного винта (патент ФРГ №1072133, кл. 65 a11 от 09.06.1960 г.).
Известны достоинства указанных механизмов, основным из которых является практическое осуществление принципа гидравлического управления положением подводных крыльев при движении судна как по величине отстояния, так и по изменению установочных углов атаки.
Недостатком известных конструкций является то, что фиксация подводных крыльев предусмотрена только в двух положениях: в нижнем - с рабочим погружением и в верхнем - с уменьшенной величиной заглубления, при этом фиксация выполняется механическими стопорными устройствами, отличающимися нетехнологичностью и трудоемкостью изготовления.
Конструкция известных подъемно-выдвижных устройств предполагает только совместное их использование и применение на обоих крыльевых устройствах с определенной степенью синхронизации управления.
Кроме этого, асимметричное расположение каждого силового гидроцилиндра управления рамочным механизмом увеличивает вероятность работы механизма с перекосами, вызывающими повышенный износ поверхностей сопрягаемых деталей, а нередко и их заклинивание.
Учитывая, что рамочные устройства выполнены с возможностью поворотов относительно осей опорных штанг, и, следовательно, с возможностью изменения углов атаки крыльев при движении судна, в целом конструкции крыльевых устройств отличаются сложностью, обусловленной большим количеством сопрягаемых узлов и деталей, а это в совокупности снижает уровень надежности устройств и эксплуатационные качества судна в целом.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание СПК с лучшими эксплуатационно-техническими показателями в части снижения потребляемой мощности, расхода топлива и реализации возможности осуществлять необходимую коррекцию характеристик управляемости судна при его движении на всех режимах плавания при максимальном сохранении относительной простоты конструкций и схем крыльевых устройств, применяющихся в отечественных СПК (например, жесткое закрепление подводных крыльев на корпусе).
Предлагаемое изобретение по способу снижения потребляемой мощности путем повышения гидродинамического качества на режиме выхода судна на крылья (уменьшение «горба сопротивления»), стабилизации движения СПК и устройству для его осуществления в виде механизма коррекции характеристик управляемости судна обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что при осуществлении указанного способа и создании механизма коррекции характеристик управляемости судна как инструмента для реализации этого способа возможно либо использование для СПК менее мощных и более экономичных двигателей, либо обеспечение вывода существующих СПК на крыльевой режим при той же потребляемой мощности, но с увеличенной на 20% и более полезной нагрузкой, что значительно повышает экономическую эффективность использования СПК.
Указанный технический результат по способу стабилизации движения и снижения потребляемой мощности судна на подводных крыльях, при котором создают вертикальные возвратно-поступательные перемещения кормового крыла, достигается тем, что согласно изобретению используют кормовой механизм коррекции характеристик управляемости с возможностью плавного управления положением кормового крыла по величине его отстояния от корпуса в диапазоне от нуля до максимального значения и гидравлической фиксации кормового крыла в любой точке отстояния, при этом начало разгона судна из состояния свободного плавания выполняют с носовым крылом, погруженным в воду и жестко присоединенным с помощью стоек непосредственно к корпусу судна с установленными рабочим отстоянием и минимальным углом атаки, обеспечивающим достижение максимальной скорости судна при движении на крыльевом режиме с невысокой нагрузкой, и поднятым заподлицо с днищем кормовым крылом с предварительно установленным минимальным углом атаки с последующим по мере роста скорости движения судна постепенным погружением кормового крыла в воду на глубины, обеспечивающие в начале отрыв корпуса судна от поверхности воды, а затем достижение максимальной скорости судна при движении на крыльевом режиме, при этом для стабилизации движения судна, например на крыльевом режиме, на поворотах или при волнении, коррекцию углов атаки обоих крыльев одновременно и автоматически выполняют изменением дифферента судна на корму путем плавного изменения величины отстояния несущей плоскости кормового крыла от днища корпуса с последующей гидравлической фиксацией крыла в положении наилучшей стабилизации движения, причем с уменьшением дифферента судна на корму, при увеличении отстояния кормового крыла, углы атаки обоих крыльев синхронно уменьшаются, а с увеличением дифферента судна на корму, при уменьшении отстояния кормового крыла, углы атаки крыльев синхронно увеличиваются.
Кормовой механизм коррекции характеристик управляемости судна на подводных крыльях, содержащий подъемно-выдвижное рамочное устройство, состоящее из несущего кормового крыла со стойками и опорной штанги, жестко соединяющей стойки в верхней части, установленное с возможностью вертикального перемещения посредством гидродвигателей и взаимодействия с приводом гребного винта, согласно изобретению вертикально установленные два или более гидродвигателя двухстороннего действия симметрично разнесены относительно диаметральной плоскости, их поршневые штоки по концам шарнирно закреплены на транце корпуса судна и являются направляющими элементами для формирования вертикальных возвратно-поступательных перемещений силовых гидроцилиндров, жестко прикрепленных к стойкам кормового крыла, при этом рабочие полости силовых гидроцилиндров сообщены с внешним источником гидропитания через четырехлинейный трехпозиционный гидравлический кран управления с плоским поворотным золотником, который в нейтральном положении разобщает и запирает рабочие полости гидроцилиндров, образуя гидрозамок, а в крайних положениях осуществляет подачу или отвод рабочей жидкости в гидродвигатели или от гидродвигателей.
Известно, что при движении судна в крыльевом режиме подводные крылья (носовое и кормовое), установленные на разных отстояниях от килевой линии (носовое - на большем, кормовое - на меньшем) имеют примерно одинаковое заглубление (расстояние) от поверхности воды. Разница в отстояниях крыльев до килевой линии образует дифферент судна и, следовательно, наклон несущих плоскостей к горизонту воды, т.е. некоторый положительный угол атаки.
Таким образом плавное изменение дифферента судна во время его движения обеспечивает и плавное регулирование углов атаки обеих крыльев, что особенно важно для преодоления горба сопротивления при относительно высоких скоростях движения.
У предлагаемого судна увеличение положительных углов атаки несущих плоскостей при стартовом движении обеспечивается увеличенным ходовым дифферентом судна, образуемого полностью погруженным передним крылом и глиссирующей поверхностью кормовой части судна. Кормовая крыльевая система находится в верхнем нерабочем положении, а винт гребного вала заглублен на величину своей рабочей части. Лобовое сопротивление гребного вала сведено до минимума вследствие уменьшения его угла наклона.
Таким образом затраты мощности двигателя на разгон судна и время выхода его на крыло будут меньшими, чем при заглубленных обоих крыльях вместе с гребным винтом. По мере нарастания скорости судна углы атаки обоих крыльев за счет постепенного погружения системы кормового крыла на величину рабочего хода (другими словами, за счет уменьшения ходового дифферента) будут уменьшаться до своих минимальных значений (установленных заранее), соответствующих максимальному установившемуся движению судна.
Возможность варьирования отстоянием кормового крыла на корпусе судна обеспечивается за счет подачи рабочей жидкости под давлением от насоса через крановый трехпозиционный гидрораспределитель в соответствующие полости цилиндров гидродвигателей, поршневые штоки которых шарнирно закреплены на транце судна.
Поскольку при выборе параметров гидродинамического комплекса СПК главной целью является получение минимального сопротивления (или максимального гидродинамического качества), то в первом приближении расчет сопротивления СПК можно произвести аналитически с использованием экспериментальных материалов.
Исследования показывают, что превалирующими составляющими сопротивления СПК на малых скоростях, включая режим «выхода», оказываются сопротивление корпуса судна и выступающих частей, заметное влияние на величину сопротивления которых оказывает и свободная поверхность воды. Из-за образования волн и брызг при пересечении выступающими частями поверхности воды сопротивление движению увеличивается.
В режиме «на плаву» (водоизмещающем режиме) при числе Фруда FrD=0...1 вследствие малой скорости возникающие подъемные силы на подводных крыльях незначительны и их величиной можно пренебречь. Поэтому на данном режиме движения подводные крылья рассматриваются как выступающие части и полное сопротивление движению может быть записано в виде:
R=Rкорп+Rвч (1), где:
R - полное сопротивление судна,
Rкорп - сопротивление корпуса судна,
Rвч - сопротивление выступающих частей (подводные крылья, их стойки, руль, гребной вал и т.д.).
По данным Зайцева Н.А. и Маскалика А.И. «Отечественные суда на подводных крыльях», Ленинград, издательство «Судостроение», 1967 г., с.12 сопротивление выступающих частей для одновинтовых СПК составляет 15...30% от полного сопротивления судна.
При использовании предлагаемого способа проводить разгон судна с поднятым над уровнем воды или днища корпуса кормовым комплексом (не учитывая уменьшение лобового сопротивления гребного вала) с небольшой долей ошибки можно принять уменьшение общего сопротивления выступающих частей (Rвч) на величину 7...10%. Это уменьшение на начальном участке разгона судна ускоряет выход СПК на крылья при числе FrD=1...2, 3, когда имеет место значительный рост гидродинамических сил, возникающих на корпусе и подводных крыльях, корпус в этом режиме глиссирует и полное сопротивление выражается формулой:
R=Rкорп+Rкр+Rвч (2), где:
Rкорп - сопротивление корпуса судна, которое находится в зависимости:
Rкорп=Δ·tgαp+Rт (3), где:
Δ·tgαp - сопротивление давления,
Δ=D-(Yн+Нк) - нагрузка на редан, где:
D - водоизмещение судна,
Yн, Yк - подъемная сила соответственно носового и кормового крыльев,
αp - угол редана,
Rт=(ξгп+ξшер)ρν2 Sк/2 (4), где:
Rт - сопротивление трения,
ξгп - коэффициент сопротивления гладкой пластины,
ξшер - надбавка к коэффициенту ξгп, учитывающая шероховатость корпуса,
Sк - площадь смоченной поверхности корпуса.
Погруженный на рабочую глубину кормовой комплекс совместно с гребным валом при разгоне судна создает повышенный ходовой дифферент на корму из-за значительного плеча силы упора (Zp, см. фиг.1), создающего момент, действующий на корпус относительно центра тяжести судна. Разгон судна с поднятым кормовым комплексом уменьшает плечо силы упора (Zp, см. фиг.3) и, следовательно, действующий на корпус момент, в результате чего дифферент судна на корму и, соответственно, угол атаки редана судна уменьшаются почти вдвое. От снижения угла атаки редана [составляющей Δ·tgαр (3)] и, соответственно, площади, омываемой поверхности корпуса, [составляющей Rт (4)] полное сопротивление корпуса [Rкорп (2)], как показывают расчеты, снижается примерно на 20%. Это значение полного сопротивления минимально и дано без учета положительного фактора, заключающегося в том, что при достижении скорости судном 20...25 км/час (т.е. ниже, чем 0,5Vэкс., при которой сопротивление максимально) создаются достаточные гидродинамические подъемные силы у носового погруженного крыла, которые приподнимают переднюю часть корпуса судна, дополнительно сокращая площадь омываемой поверхности, и соответственно, уменьшая сопротивление корпуса судна.
При плавном заглублении кормового комплекса (крыла) в воду в режиме глиссирования корпуса судна сопротивление кормового крыла незначительно из-за его высоких гидродинамических качеств, когда при погружении крыла на относительно небольшую глубину h/b=0,2 (h - глубина погружения, b - хорда крыла) уже возникают значительные подъемные гидродинамические силы, под действием которых кормовая часть корпуса судна начинает отрываться от поверхности воды (Зайцев Н.А. и Маскалик А.И. «Отечественные суда на подводных крыльях», 1967 г., с.19, 20).
Таким образом полное сопротивление судна на режиме выхода его на крылья снижается примерно на 27%.
Учитывая формулу
Np=R·V/75·ηв, где:
Nр - расчетная мощность двигателя, подводимая к винту,
R - полное сопротивление движению,
V - скорость движения судна,
ηв - к.п.д. винта,
снижение общего сопротивления движению на 27% соответственно снижает на эту же величину и потребляемую мощность двигателя.
Результаты выполненных расчетов по примерной величине снижения потребляемой мощности были подтверждены проведенными натурными испытаниями на маломерном судне (лодке) типа «казанка» с подводными крыльями и подвесным двигателем мощностью 20 л.с. (Вихрь-20), который в блоке с кормовым крылом в виде подъемно-выдвижного устройства совершал возвратно-поступательные вертикальные перемещения с помощью гидроцилиндров двух гидродвигателей двухстороннего действия, штоки которых, являясь одновременно направляющими элементами, были вертикально расположены и параллельно между собой закреплены на транце судна. Варьирование отстоянием кормового крыла от днища корпуса лодки во время ее движения осуществлялось с помощью гидравлического ручного насоса и кранового трехпозиционного гидрораспределителя с возможностью фиксации крыла в любой точке отстояния.
Проведенные испытания дали следующие результаты:
- При выходе судна на крылья с погруженным на рабочее отстояние передним крылом и погруженным на рабочее отстояние кормовым крылом вместе с двигателем (кормовым блоком) максимальная полезная нагрузка составила 300...320 кг (4 человека), максимальная скорость лодки при этой нагрузке в крыльевом режиме составила 40...42 км/ч.
- При выходе судна на крылья с погруженным на рабочее отстояние передним крылом и полностью поднятым вначале кормовым блоком (с предварительно установленными и уменьшенными на 30...50% углами атаки обоих крыльев) с последующим по мере роста скорости постепенным погружением кормового блока максимальная нагрузка составила 390...410 кг (5 человек), а скорость судна возросла до 48...50 км/ч. В результате эффективность по приросту полезной нагрузки составила 25%, а по скорости ˜20%, на 30...50% сократилось время выхода судна на крыльевой режим.
Таким образом, варьируя величиной отстояния кормового крыла в блоке с винтом гребного вала двигателя при разгоне судна, можно за счет существенного снижения сопротивления движению получить наилучшие гидродинамические и скоростные качества СПК при наименьших энергетических затратах.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 показано судно на подводных крыльях с жестко закрепленным к корпусу носовым крылом с рабочим не изменяющимся отстоянием и кормовым механизмом коррекции характеристик управляемости судна с кормовым крылом в положении максимального (рабочего) отстояния от корпуса судна;
- на фиг.2 показан общий вид с кормы фиг.1, разрез кормового механизма коррекции характеристик управляемости и гидравлическая схема подсоединения гидродвигателей механизма к четырехлинейному трехпозиционному гидравлическому крану ручного управления;
- на фиг.3 показано судно на подводных крыльях с носовым крылом в положении рабочего отстояния и поднятым до уровня днища корпуса судна (или основной линии) кормовым крылом при движении в режиме «разгона» с минимальным гидравлическим сопротивлением.
Эти же чертежи иллюстрируют способ стабилизации движения и снижения потребляемой мощности движения судна на подводных крыльях.
Описание способа стабилизации движения и снижения потребляемой мощности дается на примере работы механизма коррекции характеристик управляемости судна.
Судно на подводных крыльях (фиг.1, 2) содержит носовое крыло 1, жестко закрепленное с неизменяющимся рабочим отстоянием с помощью стоек (пилонов) 2 к корпусу судна 3, кормовой механизм коррекции характеристик управляемости 4, состоящего из подъемно-выдвижного рамочного устройства 5 и двух встроенных гидродвигателей 6, 6а двухстороннего действия. Подъемно-выдвижное рамочное устройство 5 включает в себя кормовое крыло 7, две стойки (пилона) 8 и жестко соединяющую их в верхней части опорную штангу 9. На кормовом крыле 7 в диаметральной плоскости образована опора 10 для гребного вала 11 с возможностью осевого смещения вала в момент процесса варьирования отстоянием кормового крыла 7. Гребной вал 11 связан с валом двигателя через карданный шарнир 12. Поршневые штоки 13, 13а гидродвигателей 6, 6а симметрично разнесены относительно диаметральной плоскости судна (ДП) и через опорные вилки 14 шарнирно закреплены на транце корпуса судна 3. Штоки 13, 13а гидродвигателей 6, 6а являются направляющими элементами для формирования вертикальных возвратно-поступательных перемещений силовых гидроцилиндров 15, 15а, жестко прикрепленных болтами 16 к стойкам 8 кормового крыла 7 рамочного устройства 5. Поршень штока 13 левого гидроцилиндра 15 (фиг.2) образует верхнюю рабочую камеру 17 и нижнюю рабочую камеру 18. Поршень штока 13а правого гидроцилиндра 15а образует соответственно рабочие камеры 19 и 20. Предлагаемый механизм коррекции характеристик управляемости судна, объединяющий в один общий блок кормовое крыло 7, гребной вал 11 и гидродвигатели управления 6, 6а, отличается от известных устройств более высоким качеством компоновочного решения и рациональным исполнением конструктивно-силовой схемы.
Возможность варьирования - осуществление плавного изменения величины отстояния кормового крыла относительно днища судна или его основной линии - обеспечивается переводом рычага управления 21 (фиг.2) четырехлинейного трехпозиционного гидравлического крана-распределителя с плоским поворотным золотником 22 в одно из крайних положений, при котором рабочая жидкость под давлением подается одновременно в соответствующие полости камеры обоих гидроцилиндров 15 и 15а кормового механизма 4. Необходимое стопорение кормового крыла 7 (соответственно всего механизма 4) с необходимым отстоянием (глубиной погружения) осуществляется путем перевода рычага управления 21 крана 22 из крайнего положения в среднее (нейтральное), при котором плоский золотник с большой степенью герметичности разобщает и запирает рабочие камеры гидроцилиндров 15, 15а, образуя гидрозамок, воспринимающий всю кормовую нагрузку судна.
Для обеспечения плавности работы гидродвигателей 6, 6а кормового крыла 7 в линию слива крана-распределителя 22 встроен регулируемый дроссель 23, а в линию подачи - обратный клапан 24 с целью исключения просадки кормового крыла при внезапных внешних перегрузках в момент рабочего погружения.
Способ снижения потребляемой мощности гидродинамического сопротивления движению и стабилизации движения СПК с помощью кормового механизма коррекции характеристик управляемости 4 осуществляется следующим образом (фиг.3).
Начало разгона судна из состояния свободного плавания выполняют с носовым крылом 1, погруженным в воду и жестко присоединенным с помощью стоек (пилонов) 2 непосредственно к корпусу судна 3 с установленными рабочим отстоянием и минимальным углом атаки, обеспечивающим достижение максимальной скорости судна при движении на крыльевом режиме с невысокой нагрузкой и поднятым с помощью механизма коррекции 4 заподлицо с днищем или несколько выше кормовым крылом 7 с предварительно установленным минимальным углом атаки. Необходимое увеличение положительных углов атаки несущих плоскостей обоих крыльев устройств 1 и 7 при стартовом движении обеспечивается увеличенным ходовым дифферентом судна на корму, образуемого полностью погруженным носовым крылом и глиссирующей поверхностью кормовой части судна. Лобовое сопротивление кормового комплекса сведено до минимума. Поднятый кормовой комплекс 4 вместе с гребным валом 11 за счет значительного уменьшения плеча силы упора (Zp) относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести судна, создает минимальный действующий на корпус момент, в результате чего дифферент судна, угол атаки редана, площадь омываемой поверхности и, соответственно, гидродинамическое сопротивление корпуса и потребляемая мощность значительно уменьшаются.
Снижение до минимума лобового сопротивления кормового комплекса и повышение гидродинамического качества корпуса судна позволяют СПК развить за более короткое время скорость движения, близкую к глиссированию при числе Фруда=1...2, 3. При достижении определенной скорости носовое крыло 1 вследствие возрастания подъемной силы начинает всплывать, выталкивая носовую часть корпуса судна 3 из воды и дифферентуя судно на корму, угол атаки носового крыла 1 увеличивается и крыло получает дополнительную подъемную силу. При достижении глиссирующей скорости приводится в действие кормовой механизм коррекции 4 по заглублению кормового крыла (увеличение величины его отстояния) путем перевода рычага управления 21 гидравлического крана-распределителя 22 из среднего положения в крайнее левое по схеме положение (фиг.2), при этом рабочая жидкость от внешнего источника (насоса) будет поступать одновременно в нижние камеры 18 и 20 гидроцилиндров 15 и 15а, плавно перемещая кормовое крыло 7 на заглубление в начале до момента отрыва кормовой части судна от поверхности воды, а затем до достижения максимальной скорости судна при движении на крыльевом режиме, при этом по мере нарастания скорости судна углы атаки обеих крыльев 1 и 7 за счет плавного погружения кормового механизма коррекции 4 на рабочее отстояние или уменьшение дифферента будут уменьшаться до установочных минимальных значений, соответствующих достижению максимальной скорости движения судна. Стабилизацию движения судна, например на крыльевом режиме при поворотах или волнении, коррекцию углов атаки обоих крыльев, одновременно и автоматически осуществляют изменением дифферента судна на корму путем плавного изменения величины отстояния несущей плоскости кормового крыла от днища корпуса с помощью кормового механизма коррекции характеристик управляемости 4 с последующей гидравлической фиксацией крыла в положении наилучшей стабилизации движения, при этом при уменьшении дифферента судна на корму, т.е. при увеличении заглубления или отстояния кормового крыла, углы атаки обоих крыльев 1 и 7 синхронно уменьшаются и наоборот.
Судно на подводных крыльях с кормовым механизмом коррекции характеристик управляемости позволяет повысить надежность управления самого судна и получить наилучшие гидродинамические и скоростные качества при наименьших энергетических затратах за счет возможности осуществления способа стабилизации движения и снижения потребляемой мощности путем варьирования величиной отстояния кормового крыла от корпуса судна в диапазоне от нуля до максимального рабочего значения при неизменном рабочем отстоянии носового крыла.
Способ позволяет:
- минимизировать значения гидродинамического сопротивления судна («горба сопротивления») и, соответственно, потребляемой мощности в режиме выхода СПК на крылья,
- увеличить скорость судна и долю полезной нагрузки до 25% при равной затрачиваемой мощности,
- проводить коррекцию углов атаки обоих крыльев и их подъемную силу при движении СПК,
- при поднятом в самое верхнее положение кормовом комплексе улучшается маневренность судна за счет уменьшения радиуса поворота или разворота, а также может быть решена задача причаливания судна на мелководных участках.
Эффективность применения предлагаемой конструкции кормового комплекса со способом стабилизации движения судна подтвердилась проведенными натурными испытаниями и опытом эксплуатации маломерного судна, изготовленного в соответствии с предлагаемой конструкцией механизма коррекции характеристик управляемости и принципом стабилизации.
Преимущественные показатели перед известными техническими решениями подтвердились при достаточно несложном конструктивно-техническом исполнении предложенного устройства, открывающего возможность к осуществлению более экономичного и быстроходного плавания СПК.
1. Способ стабилизации движения и снижения потребляемой мощности судна на подводных крыльях, при котором создают вертикальные возвратно-поступательные перемещения кормового крыла, отличающийся тем, что используют кормовой механизм коррекции характеристик управляемости с возможностью плавного управления положением кормового крыла по величине его отстояния от корпуса в диапазоне от нуля до максимального значения и гидравлической фиксации кормового крыла в любой точке отстояния, при этом начало разгона судна из состояния свободного плавания выполняют с носовым крылом, погруженным в воду и жестко присоединенным с помощью стоек непосредственно к корпусу судна с установленными рабочим отстоянием и минимальным углом атаки, обеспечивающим достижение максимальной скорости судна при движении на крыльевом режиме с невысокой нагрузкой, и поднятым заподлицо с днищем кормовым крылом с предварительно установленным минимальным углом атаки с последующим по мере роста скорости движения судна постепенным погружением кормового крыла в воду на глубины, обеспечивающие в начале отрыв корпуса судна от поверхности воды, а затем достижение максимальной скорости судна при движении на крыльевом режиме, при этом для стабилизации движения судна, например, на крыльевом режиме на поворотах или при волнении коррекцию углов атаки обоих крыльев одновременно и автоматически выполняют изменением дифферента судна на корму путем плавного изменения величины отстояния несущей плоскости кормового крыла от днища корпуса с последующей гидравлической фиксацией крыла в положении наилучшей стабилизации движения, причем с уменьшением дифферента судна на корму, при увеличении отстояния кормового крыла углы атаки обоих крыльев синхронно уменьшаются, а с увеличением дифферента судна на корму, при уменьшении отстояния кормового крыла углы атаки крыльев синхронно увеличиваются.
2. Кормовой механизм коррекции характеристик управляемости судна на подводных крыльях, содержащий подъемно-выдвижное рамочное устройство, состоящее из несущего кормового крыла со стойками и опорной штанги, жестко соединяющей стойки в верхней части, установленное с возможностью вертикального перемещения посредством гидродвигателей и взаимодействия с приводом гребного винта, отличающийся тем, что вертикально установленные два или более гидродвигателя двухстороннего действия симметрично разнесены относительно диаметральной плоскости, их поршневые штоки по концам шарнирно закреплены на транце корпуса судна и являются направляющими элементами для формирования вертикальных возвратно-поступательных перемещений силовых гидроцилиндров, жестко прикрепленных к стойкам кормового крыла, при этом рабочие полости силовых гидроцилиндров сообщены с внешним источником гидропитания через четырехлинейный трехпозиционный гидравлический кран управления с плоским поворотным золотником, который в нейтральном положении разобщает и запирает рабочие полости гидроцилиндров, образуя гидрозамок, а в крайних положениях осуществляет подачу или отвод рабочей жидкости в гидродвигатели или от гидродвигателей.
