Стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна с подводными крыльями
Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и модернизации морских быстроходных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с большой парусной энерговооруженностью, где используется единственный водоизмещающий узкий волнопронизывающий корпус. Изобретение раскрывает конструктивные особенности и форму обводов корпуса быстроходного однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна с подводными крыльями, которые направлены на обеспечение стабильного управляемого движения однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна с подводными крыльями в режиме волнопронизывания, т.е. в водоизмещающем режиме малого волнового/гидродинамического сопротивления, как при наличии, так и при отсутствии парусного крена (при этом эффективно противодействуя парусному крену и раскачке на всех парусных курсах), обеспечение гашения энергии разбитой волны, а также способности самостоятельного восстановления на ровный киль из положения "паруса на воде", в результате чего достигается увеличение быстроходности, улучшение мореходных качеств судна. 4 ил.
Область применения.
Изобретение относится к судостроению и может быть использовано при постройке и модернизации морских быстроходных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с большой парусной энерговооруженностью, где используется единственный водоизмещающий узкий волнопронизывающий корпус.
Описание уровня техники.
Уровень техники в отношении судна с узким водоизмещающим корпусом был раскрыт в российской заявке №2015155664 с приоритетом от 24.12.2015, данное решение является новым конструктивным решением стабилизированного корпуса однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна с использованием в конструкции подводных крыльев.
Общий принцип действия подводных крыльев - создание погруженной частью крыльев, на средних и высоких скоростях, подъемной силы, действующей на движущееся судно, когда корпус частично или полностью поднимается над водной поверхностью. При значительном уменьшении площади контакта с водой, и, следовательно, уменьшении гидродинамического сопротивления движению, это позволяет развивать более высокую скорость.
Применительно к стабилизированному корпусу, раскрытому в заявке №2015155664, подъемная сила, создаваемая подводными крыльями на ходу, также позволяет существенно увеличить эффективный размер тоннельных полостей корпуса (влияющих на мореходность корпуса) на средних и высоких скоростях.
Раскрытие изобретения.
Заявленное решение, по мнению заявителя, неизвестное из уровня техники, позволяет использовать единственный водоизмещающий узкий волнопронизывающий корпус в конструкции однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов с большой парусной энерговооруженностью, обеспечивая достижение технического результата, заключающегося в:
- стабильном управляемом движении однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна в режиме волнопронизывания, т.е. в водоизмещающем режиме малого волнового/гидродинамического сопротивления как при наличии, так и при отсутствии парусного крена, при этом обеспечивая эффективное гашение энергии разбитой волны;
- уменьшении гидродинамического сопротивления движению и увеличении мореходности корпуса путем применения подводных крыльев;
- обеспечении существенного упора и большого плеча его приложения, создающего пропорциональную силу противодействия парусному крену и раскачке корпуса;
- минимизации инерционных моментов, действующих на корпус;
- при критическом крене (положение "паруса на воде"), обеспечении самостоятельного восстановления судна на ровный киль.
В результате чего заявленный стабилизированный корпус, примененный на морском быстроходном однокорпусном килевом парусном/парусно-моторном судне с большой парусной энерговооруженностью (в 7-10 м2 и более на тонну водоизмещения), обеспечивает, по сравнению с современным уровнем техники (однокорпусными килевыми парусными/парусно-моторными судами):
- существенное увеличение быстроходности в 2 и более раз в водоизмещающем режиме, или (что аналогично) уменьшение в 2 и более раз энергозатрат (парус либо мотор), необходимых для перемещения судна из точки А в точку Б;
- существенное увеличение мореходности и стабильности хода;
- более эффективное противодействие парусному крену и отсутствие раскачки корпуса на всех парусных курсах;
- аналогичную способность восстановиться на ровный киль самостоятельно из положения "паруса на воде";
- аналогичные объем и удобство обитаемых отсеков и отличную управляемость.
Поставленная задача достигается тем, что стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна характеризуется тем, что корпус с общей шириной не более 50% его длины, который в своей нижней части
выполнен с продольно расположенной, симметричной относительно диаметральной плоскости судна и соизмеримой с его длиной, вертикально ориентированной узкой секцией малого волнового/гидродинамического сопротивления, с водоизмещающим сегментом, включающим киль с тяжелой бульбой,
- при этом отношение длины ватерлинии к ширине ватерлинии сегмента не менее 7-ми раз, с водоизмещением сегмента, соответствующим полной снаряженной массе судна,
- при этом узкая секция выполнена с волнопронизывающими обводами, высоким волнопронизывающим форштевнем, обтекаемыми задними обводами, и обтекаемым объемным утолщением в своей передней верхней части,
- также включает два продольно ориентированных симметричных относительно диаметральной плоскости судна спонсона, расположенных выше ватерлинии по нижней поверхности корпуса на максимальной ширине корпуса, по отношению к длине корпуса расположение спонсонов может быть как ближе к кормовой, так и к средней, либо к носовой частям корпуса,
- при этом отношение длины спонсона к его ширине не менее 7-ми раз, с собственным объемом, достаточным для парирования парусного крена при погружении подветренного спонсона, но не достаточным для поддержания судна на плаву,
- при этом спонсоны имеют обтекаемую веретенообразную форму с волнопронизывающими передними, обтекаемыми задними и глиссирующими средними обводами,
- при этом спонсоны в нижней части выполнены с подводными крыльями, создающими на ходу подъемную силу, противодействующую весу корпуса и уменьшающую его осадку, обеспечивая тем самым подъем спонсонов над водной поверхностью,
- при формировании выше ватерлинии двух тоннельных полостей между узкой секцией и каждым из спонсонов, размера, достаточного для гашения энергии разбитой форштевнем и спонсонами волны,
- при этом наличие подводных крыльев в нижней части спонсонов увеличивает эффективный размер тоннельных полостей на ходу судна.
Краткое описание чертежей.
Заявленная конструкция стабилизированного корпуса поясняется приложенными чертежами.
На Фиг. 1 показан общий вид корпуса однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна 1 (мотор и подводные крылья на чертежах не показаны), где затемнением 2 отмечена его смоченная поверхность при отсутствии парусного крена - например, на ходу при полных парусных курсах или под мотором. Основными элементами являются верхняя часть корпуса 3, узкая секция 4 с волнопронизывающим водоизмещающим сегментом 5, правый 6 и левый 7 спонсоны, киль 8 с тяжелой бульбой, перо руля 9, две тоннельные полости 10, передний высокий волнопронизывающий форштевень 11.
Узкая секция 4 стабилизирована килем 8 с тяжелой бульбой, и пером руля 9, обеспечивающим управляемость судна. Тяжелое оборудование судна и запасы воды и топлива (при их необходимости) размещены в нижней части узкой секции 4, таким образом минимизируя инерционные моменты своего веса при эволюциях корпуса. Водоизмещение сегмента 5 соответствует (в диапазоне 80-100%) массе полностью снаряженного готового к плаванию судна, включая экипаж, киль с тяжелой бульбой, оборудование, запасы воды и топлива (при их необходимости), и т.д., таким образом спонсоны 6 и 7 не участвуют в поддержании судна на плаву.
Симметричные правый 6 и левый 7 спонсоны расположены на одинаковом расстоянии от диаметральной плоскости судна на максимальной ширине корпуса и выше ватерлинии. Расположение спонсонов на максимальной ширине корпуса обеспечивает большое плечо упора водоизмещения спонсона, противодействующего парусному крену и раскачке корпуса.
На Фиг. 1 показано расположение спонсонов по отношению к длине корпуса ближе к кормовой его части, также возможно расположение спонсонов ближе к средней, или к передней частям корпуса.
Спонсоны имеют установочный угол относительно диаметральной плоскости судна (на Фиг. 1 показан угол в 10 градусов), необходимый для обеспечения симметричности обтекания при погружении подветренного спонсона.
Узкая секция 4 (Фиг. 2) выполнена длинной, узкой, с высокими обводами малого волнового/гидродинамического сопротивления, с относительным удлинением ватерлинии L/W WL не менее 7-ми раз, обеспечивая таким образом водоизмещающий режим волнопронизывания, а также ламинарность обтекающего потока на всем пути обтекания, обеспечивая разрезание и прохождение волны вдоль узкой секции с минимальным влиянием на скорость судна. Высокий волнопронизывающий форштевень 11 позволяет рассекать волну с минимальной потерей скорости. В передней верхней части узкая секция 4 имеет обтекаемое объемное утолщение 12, обеспечивающее уменьшение амплитуды килевой качки.
На Фиг. 3 показана детализация спонсонов, где симметричные правый 6 и левый 7 спонсоны выполнены узкими, длинными, с высокими обводами малого волнового/гидродинамического сопротивления, с относительным удлинением формы (отношение своей длины к ширине) не менее 7 раз - обеспечивая тем самым волнопронизывание и ламинарность обтекающего потока на всем пути обтекания подветренного спонсона при его погружении под воздействием парусного крена.
Спонсон имеет три типа обводов в своей конструкции - волнопронизывающий 13 в передней части, глиссирующий ("глубокое V") 14 в средней части, и обтекаемый 15 в задней части. Тело спонсона обтекаемой веретенообразной формы, с объемом достаточным для парирования парусного крена силой своего водоизмещения при погружении подветренного спонсона, а также для парирования раскачки судна на всех парусных курсах. Объем спонсона при этом выполнен не достаточным для поддержания судна на плаву - таким образом при критическом крене и при завале судна на борт (положение "паруса на воде"), подветренный спонсон полностью погружается в воду, тем самым предотвращая "перекувыркивание" корпуса в устойчивое лежачее положение через водоизмещающее тело, как это происходит, например, у катамаранов и тримаранов.
Отсутствие веса судна на спонсонах и их расположение на максимальной ширине корпуса судна на большом удалении от диаметральной плоскости судна и выше ватерлинии являются наиважнейшими условиями в функционировании заявленного стабилизированного корпуса, так как только при единовременном соблюдении этих условий:
- для эффективного противодействия парусному крену, подветренный спонсон может быть сделан малого объема, узкой обтекаемой формы с отношением своей длины к ширине не менее 7-ми раз - и таким образом иметь волнопронизывающую форму, тем самым оказывая малое влияние на скорость судна при своем погружении под воздействием парусного крена;
- узкая форма спонсонов и их широкое расположение позволяют сформировать две тоннельные полости 10 между узкой частью 4 и спонсонами 6 и 7, где полости 10 обеспечивают минимизацию смоченной поверхности на границе сред, и где в полостях 10 происходит гашение энергии, разбитой форштевнем и передними обводами спонсонов волны;
- при отсутствии парусного крена (например, на полных парусных курсах или под мотором), средние обводы таких ненагруженных спонсонов, расположенных выше ватерлинии, эффективно глиссируют, оказывая таким образом минимальное волновое сопротивление движению;
- при критическом крене "паруса на воде" подветренный спонсон малого объема не способен нести на себе вес судна и погружается, тем самым избегая "завала корпуса через спонсон", и восстановление на ровный киль происходит самостоятельно - как и у современных однокорпусных килевых судов.
Заявленный стабилизированный корпус может быть выполнен, например, из стеклопластика, других композитных материалов, дерева, металла, полиэтилена и их комбинаций, и/или других материалов, принятых в судостроении.
На Фиг. 4 показано решение корпуса однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна, где имеющиеся спонсоны в своей нижней части выполнены с подводными крыльями 16, расположенными по левой и правой стороне на ширине корпуса судна, или выступающими за его габариты, изготовленными, например, из металла или композитных материалов. Подводные крылья на ходу создают подъемную силу, противодействующую весу корпуса и уменьшающую его осадку, обеспечивая тем самым уменьшение смоченной поверхности 2 узкой секции 4 и подъем спонсонов 6 и 7 полностью над водной поверхностью,
- увеличивая эффективный размер тоннельных полостей 10 на ходу и уменьшая влияние ударов волн о корпус, волны прокатываются под поднятыми над водной поверхностью спонсонами 6 и 7.
Для однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов, заявленный стабилизированный корпус обеспечивает комбинацию применения узкой секции с единственным волнопронизывающим водоизмещающим сегментом с величиной относительного удлинения ватерлинии L/W WL в 7 и более раз (и соответственно использование преимуществ малого волнового/гидродинамического сопротивления, высокой мореходности и стабильности хода), и в то же время (при высокой парусной энерговооруженности судна в 7-10 м2 и более на тонну водоизмещения) эффективной системы стабилизации (а именно противодействия парусному крену и раскачке) для обеспечения статической и динамической остойчивости корпуса на уровне лучше, чем у современных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов. Использование подводных крыльев создает дополнительную подъемную силу, противодействующую весу корпуса и уменьшающую его осадку при увеличении эффективного размера тоннельных полостей на ходу.
Что ведет к увеличению расчетной скорости в водоизмещающем режиме в 2 и более раз, или (что аналогично) снижению в 2 и более раз энергозатрат (энергия ветра или мотора), необходимых для перехода однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна из точки А в точку Б.
При этом обеспечивая следующие характеристики на уровне современных однокорпусных килевых парусных/парусно-моторных судов: объем и удобство обитаемых отсеков и отличную управляемость.
Стабилизированный корпус однокорпусного килевого парусного/парусно-моторного судна с подводными крыльями, характеризующийся тем, что корпус с общей шириной не более 50% его длины, который в своей нижней части
- выполнен с продольно расположенной, симметричной относительно диаметральной плоскости судна и соизмеримой с его длиной вертикально ориентированной узкой секцией малого волнового/гидродинамического сопротивления с водоизмещающим сегментом, включающим киль с тяжелой бульбой,
- при этом отношение длины ватерлинии к ширине ватерлинии сегмента не менее 7-ми раз, с водоизмещением сегмента, соответствующим полной снаряженной массе судна,
- при этом узкая секция выполнена с волнопронизывающими обводами, высоким волнопронизывающим форштевнем, обтекаемыми задними обводами и обтекаемым объемным утолщением в своей передней верхней части,
- также включает два продольно ориентированных симметричных относительно диаметральной плоскости судна спонсона, расположенных выше ватерлинии по нижней поверхности корпуса на максимальной ширине корпуса, по отношению к длине корпуса расположение спонсонов может быть как ближе к кормовой, так и к средней, либо к носовой частям корпуса,
- при этом отношение длины спонсона к его ширине не менее 7-ми раз, с собственным объемом, достаточным для парирования парусного крена при погружении подветренного спонсона, но не достаточным для поддержания судна на плаву,
- при этом спонсоны имеют обтекаемую веретенообразную форму с волнопронизывающими передними, обтекаемыми задними и глиссирующими средними обводами,
- при этом спонсоны в нижней части выполнены с подводными крыльями, создающими на ходу судна подъемную силу, противодействующую весу корпуса и уменьшающую его осадку при подъеме спонсонов над водной поверхностью,
- при формировании выше ватерлинии двух тоннельных полостей между узкой секцией и каждым из спонсонов размера, достаточного для гашения энергии разбитой форштевнем и спонсонами волны,
- при этом наличие подводных крыльев в нижней части спонсонов обеспечивает увеличение эффективного размера тоннельных полостей на ходу судна.
