.

Малотоннажные суда водоизмещающего типа

Водоизмещающие суда уступают глиссирующим, за счет другого типа движения. Форма обводов корпуса проектируется в зависимости от основных размерений судна, что более подробно рассмотрено ниже.

Основные понятия и определения

Обводы водоизмещающих судов отрабатывались многовековой практикой судостроения. Старое правило волжских корабелов: строить лодки „подлиньше и по-прогонистей”, как и немецкое „lange lauft” („длина бежит”) отразили объективную зависимость скоростных возможностей судна от его размерений.

Определяя водоизмещающий режим как движение при FrL ≤ 0,4, следует сразу отметить, что для малых судов это очень жесткие лимиты. Так, 3-метровая лодка при скорости 10 км/ч уже превысит указанный предел и, следовательно, с мотором любой мощности ее движение будет осуществляться в режимах частичного или полного глиссирования. По этой причине среди малых судов с механическим двигателем водоизмещающие составляют лишь незначительную часть.

В большей мере водоизмещающему режиму соответствуют условия плавания парусных судов. Эмпирически установленный предел скорости килевых яхт 
ν=2,43 L 
уз, при пересчете в точности соответствует FrL = 0,4.

В определенных условиях большинство современных парусных судов, впрочем, способно преодолевать этот рубеж, используя динамические силы поддержания (например, на попутной волне в режиме серфинга). Таким образом, и их нельзя безоговорочно отнести к водоизмещающим, а выбор их обводов представляет большие трудности, так как в отличие от моторных судов приходится учитывать широкий диапазон скоростей, зависящих от силы и направления ветра.

Наиболее полно соответствуют водоизмещающему режиму условия эксплуатации гребных лодок. Даже самые быстроходные из них — академические восьмерки, развивающие на дистанции скорость 20 км/ч не выйдут за его пределы (при LВЛ = 18,625 м FrL = 0,41). Оптимальные условия для движения гребных лодок лежат в пределах до горба волнового сопротивления при FrL = 0,3. Этим объясняется легкость хода 5—6-метровых лодок народной постройки, которые, не требуя особых усилий, развивают скорость на веслах 7—9 км/ч.

В узких границах водоизмещающего режима не может быть того разнообразия форм, которым отличаются современные малые суда с динамическими способами поддержания. Отработка обводов здесь ограничивается оптимизацией и комбинированием известных вариантов с целью повышения ходкости, мореходных качеств, технологичности конструкции.

Предлагается к прочтению: Водометные движители малотоннажных судов, устройство и чертежи

Влияние обводов на ходовые качества водоизмещающих судов оценивается величиной энергозатрат, необходимых для плавания в ограниченном диапазоне скоростей. Гидродинамическая форма корпуса должна обеспечивать наименьшее сопротивление воды движению судна в установленном режиме.

Мореходность водоизмещающего судна определяется прежде всего:

  • хорошим всплытием на волну;
  • устойчивостью на курсе;
  • остойчивостью;
  • а также малыми забрызгиваемостью и заливаемостью, умеренной величиной ударных перегрузок на волне.

Большинство водоизмещающих судов имеют круглоскулые обводы, однако не исключается применение и остроскулых. Решение в каждом случае принимается с учетом поставленной задачи и качеств, присущих корпусам той или другой формы. Круглоскулые суда отличает более высокая мореходность и мягкий ход. Остроскулые выигрывают в остойчивости, имеют меньшую осадку.

Среди упрощенных V-образных обводов, применяемых как на быстроходных, так и на тихоходных судах, распространены обводы, поверхность которых развертывается на плоскость, что допускает постройку корпусов с обшивкой из листов фанеры и других материалов, не поддающихся изгибу в двух плоскостях. Дополнительное преимущество остроскулых судов заключается в более удобной планировке помещений, особенно за счет увеличенного объема носовой части корпуса. Важно, чтобы у лодок с такими обводами острые кромки скул пересекали ватерлинию под минимальными углами к горизонтали (как в носовой части, так и в корме), иначе они могут стать причиной завихрений, значительно увеличивающих сопротивление воды.

Лучшие результаты в этом смысле достигаются на корпусах с несколькими скулами, особенно если они располагаются так, что вообще не пересекают поверхность воды. У односкулого корпуса линия скулы должна подниматься у форштевня на такую высоту, чтобы днище здесь имело возможно большую килеватость, а угол входа ватерлиний составлял 12—20°. У корпусов, рассчитанных на плавание при FrL ≤ 0,3, скула выходит из воды на некотором расстоянии от кормы при FrL = 0,4 она касается ватерлинии у транца, при больших скоростях остается погруженной.

Таким образом, V-образные обводы вполне применимы для водоизмещающих судов, однако спроектированные на этот режим движения они не могут применяться на глиссирующих судах, а V-образные обводы для высоких скоростей невыгодны для низких.

Зависимость длины катера от его ширины
Рис. 1 Рекомендованные значения ширины катера в зависимости от его длины.
1 – катера нормальной ширины; 2 – удлиненные катера

Форма корпуса малого туристского судна во многом определяется абсолютной величиной и соотношением его размерений. Длина, ширина, а также водоизмещение входят в формулы для вычисления относительных скоростей. С увеличением отношения L/B уменьшается высота создаваемых движением судна поперечных волн, а следовательно, и величина волнового сопротивления. В общем балансе сопротивления движению академической восьмерки волновое сопротивление составляет только 20—30 %, в то время как у „нормального” водоизмещающего корпуса при том же числе FrL = 0,4 оно превышает 50 %. Еще более впечатляющие результаты достигнуты за счет максимального увеличения отношения L/B на многокорпусных парусниках. Корпус проа „Кроссбау”, развивающего скорость 30 уз, имеет отношение L/B = 27. Соответствующая этой скорости величина FrL = 1,26 является рекордной для любого водоизмещающего судна.

График зависимости водоизмещения катера
Рис. 2 Зависимость водоизмещения от наибольшей длины катера.
1 – тяжелые катера; 2 – катера нормального водоизмещения; 3 – легкие катера

Подобные экстремальные значения размерений и их соотношений, конечно, неприемлемы для обычных туристских лодок. Минимальная ширина, необходимая для обеспечения их остойчивости, устанавливает предел L/B = 3,5÷5 для судов длиной 6-12 м (рис. 1). Корпуса типа дори с большим развалом бортов могут иметь L/B = 5÷7. У лодок длиной 2,5-3 м L/B = 2,0÷2,2. Исключение представляют катамараны и тримараны. Отношение L/B их корпусов, практически не влияющее на остойчивость судна, может приниматься в широком диапазоне — L/B = 5÷20.

Хотя водоизмещающие суда не так чувствительны к нагрузке, как глиссирующие, величина водоизмещения существенно влияет на их ходовые качества и должна поэтому учитываться при проектировании обводов (рис. 2). Тяжелое судно вовлекает в движение большую массу воды, чем более легкое при равной длине ватерлиний, поэтому его волновое сопротивление больше. Для уточненного определения режима, в котором будет эксплуатироваться судно, целесообразно вычислить и сопоставить числа Фруда по длине и водоизмещению. Для водоизмещающих судов принимается FrV ≈ 2,4 FrL.

На ходовые качества водоизмещающих судов, особенно наиболее тихоходных из них, таких как плавучие дачи, существенное влияние оказывает сопротивление трения. При выборе обводов необходимо учитывать, что эта составляющая сопротивления в значительной мере зависит от площади смоченной поверхности Ω корпуса, величина которой также определяется принятыми размерениями и водоизмещением [см. формулы Сопротивление движению малого судна“Определения смоченной поверхности корпуса судна”] . Величина волнового сопротивления в известной мере зависит от распределения водоизмещения по длине судна, характеризующегося строевой по шпангоутам (рис. 3) и коэффициентом продольной полноты, или призматическим φ = δ/β.

График строевых по шпангоутам
Рис. 3 Строевые по шпангоутам.
1 – фангсбот с вельботной кормой; 2 – морской катер с транцевой кормой; 3 – французский однотонник “Фест-35”; 4 – модернизированная яхта класса Л-6 “Былина” постройки Ленинградской экспериментальной судостроительной верфи

При малых значениях Fr высота волн, образующихся при движении судна, зависит от полноты его оконечностей: чем больше объемы, сосредоточенные у носа и кормы, тем выше гребни поперечных волн. На тихоходных водоизмещающих судах оконечности делают острыми, сосредоточивая основной подводный объем корпуса близ миделя. Строевые по шпангоутам таких корпусов в начале и конце имеют вогнутую форму. С ростом скорости, когда для предотвращения дифферента корму приходится приподнять, кормовая ветвь строевой по шпангоутам становится притупленной.

Равномерное распределение объема подводной части по длине корпуса при более высоких числах Фруда способствует уменьшению продольных перепадов давления и снижению высоты волн. Испытания моделей показали, что каждому значению относительной скорости соответствует некоторая оптимальная величина

FrL...0,2970,3270,3570,3860,4260,4460,4750,505
φ...0,530,540,580,620,640,660,680,69

Особое значение для водоизмещающих судов имеет форма кормовых обводов корпуса. На скоростях FrL ≤ 0,3 наиболее плавный без завихрений сход потока наблюдается при заостренной корме типа вельботной или каноэ. Такая корма (рис. 4, a) позволяет не терять ход на волнении, способствует смягчению килевой качки при попутной и встречной волне, обеспечивает хорошую устойчивость на курсе при косом направлении волн. Вместе с тем она существенно снижает остойчивость судна, уменьшает полезный объем, недостаточно защищает от брызг при попутной волне. Вельботные обводы имеют спасательные шлюпки, малые рыболовные суда.

Типы кормовых оконечностей катеров
Рис. 4 Заостренные кормовые оконечности водоизмещающих катеров:
а — типа каноэ; б — крейсерская с плоским участком днища

Притупленная транцевая корма по сравнению с заостренной обеспечивает большую остойчивость, более удобное для планировки и просторное помещение, меньшую забрызгиваемость на попутной волне. При транце, поднятом выше ватерлинии (рис. 5, а), ходовые качества судна мало отличаются от присущих корпусам с вельботной кормой. Такую форму кормовой оконечности часто применяют на гребных и парусных судах. Уменьшение высоты подъема транца или его заглубление (рис. 5, б) создают условия для достижения более высокой относительной скорости.

Виды транцевых оконечностей корпуса катеров
Рис. 5 Транцевые кормовые оконечности:
а — транец выше ГВЛ; б – погруженный транец

Несколько ухудшаются при этом способность судна поддерживать ход на крутой волне, устойчивость на курсе при встречно-боковой и особенно попутной волне. Такие обводы применяются на прогулочных и служебных судах, парусных швертботах и яхтах.

Килеватость кормовой оконечности судна
Рис. 6 Рекомендованная килеватость кормовой оконечности в зависимости от режима движения

На морских водоизмещающих катерах обводы с широким транцем применяют неохотно, так как на волнении возникает дисбаланс между погруженными объемами носа и кормы. Волна легко поднимает широкую корму, а узкий нос при этом глубоко погружается в воду. Судно резко зарыскивает, сходит с попутной волны, может развернуться к ней лагом, трудно управляется. При ходе против волны транцевые катера обладают неприятной качкой, шлепают кормой о воду.

Для речных катеров применение транцевой кормы оправдано повышением остойчивости за счет более полной ватерлинии, хотя это и связано с увеличением площади смоченной поверхности.

График осадки судна транцем
Рис. 7 Рекомендованная осадка транцем в зависимости от режима движения

Между шириной ватерлиний в корме, углом килеватости и осадкой на транце существует неразрывная связь. Графики, построенные по данным эксплуатации большого числа судов, позволяют определять величину этих характеристик в зависимости от относительной скорости судна (рис. 6, 7). Применение заостренной кормы (вельботной, типа каноэ) или кормы с транцем, поднятым выше ватерлинии, допустимо до Fr = 0,3, причем по мере приближения к этому пределу ширина кормовых ветвей ватерлиний увеличивается, а угол действительной килеватости днища уменьшается. Крейсерская корма, показанная на рис. 4, б, с острой кромкой скулы и плоским участком днища уже представляет собой шаг к „несущей” оконечности, способной создать подъемную силу для предотвращения дифферента при FrL ≤ 0,4. Действительный угол ее килеватости составляет около 5°.

Приполнение кормы у быстроходных водоизмещающих судов хорошо согласуется с выбором формы носовой оконечности. Если при малых скоростях (FrL = 0,20) угол входа ватерлиний не имеет существенного значения для ходкости и может быть довольно большим (до 25°), то уже при Fr = 0,25 величину его желательно выдерживать в пределах 18°, а при FrL = 0,3 — 10-12°.

Сдвиг наибольшей ширины корпуса в корму позволяет получить такое заострение, не прибегая к слишком впалым S-образным очертаниям носовых ветвей ватерлиний, которые вызывают подъем носового буруна и „прилипание” его к обшивке.

Имеет значение и форма сечения форштевня. Увеличение высоты носового буруна происходит, если форштевень скруглен по слишком большому радиусу или имеет прямоугольную форму. Острота носовых обводов в подводной части компенсируется развалом бортов у палубы, установкой брызгоотбойников, отсекающих бурун от бортов. Наклон форштевня обеспечивает плавное нарастание момента, демпфирующего килевую качку, при этом уменьшается торможение движения судна.

Суда с механическим двигателем

Характерной особенностью водоизмещающего катера является большая грузоподъемность. Реальные минимальные размерения такого судна можно представить из следующих соображений. Если принять среднюю скорость 10 км/ч как предел, ниже которого использовать двигатель вообще нецелесообразно, то при FrL = 0,35 длина по ватерлинии составит LВЛ = 6,4 м, а при рекомендованном L/B = 3,5 — B = 1,8 м. Приняв T = 0,45 м и δ = 0,4, получим водоизмещение D = δLBT = 2 т. Корпус такого судна должен иметь заостренные в носу и корме обводы и стянутый к середине длины погруженный объем, что на строевой по шпангоутам выразится прогибом концевых ветвей. Призматический коэффициент не превышает φ = 0,55.

Примером судна с такими размерениями и формой обводов может служить катер „Эврика”, в проекте которого отражены обводы лодок народной постройки, распространенных на северо-западе страны.

Корпус „Эврики” (рис. 8) отличает идентичность носовых и кормовых ватерлиний, имеющих вплоть до ГВЛ заострение порядка 10—15°. В то же время значительный развал бортов в оконечностях создает надежное укрытие от заливания и брызг, обеспечивает нормальную остойчивость и достаточно большую площадь палубы на всей длине судна. При скорости 10 км/ч (FrL = 0,36) вторая вершина волны находится у кормы и приподнимает ее. Возможный при этом дифферент на нос гасится достаточно большим развалом носовых шпангоутов.

Будет интересно: Гидроаэродинамика парусного судна

Незначительное повышение хода, однако, может разом лишить „Эврику” всех этих положительных качеств.

Уже при ν = 14 км/ч катер, оказавшись на половине поперечной волны (FrL = 0,5), глубоко сядет, кормой, что приведет к уменьшению эффективной длины ватерлинии и образованию завихрений. Для скоростей на верхней границе водоизмещающего режима возникает необходимость противодействовать тенденции к кормовой дифферентовке судна. При заостренной вельботной корме это достигается за счет расширения ватерлиний в корме, обеспечивающего снижение килеватости днища в этом районе до 5°. Рекомендуется также удлинять ватерлинии, чтобы скомпенсировать потерю опорной поверхности у бортов. Более естественно в таких случаях, однако, применение транцевой кормы.

Высоко поднятый над водой небольших размеров транец катера, теоретический чертеж которого показан на рис. 9, сам по себе не может влиять на гидродинамику судна (функционально он подчинен архитектурно-планировочным требованиям), однако его присутствие упростило приполнение кормовых ватерлиний (характеристики катера см. в статье Суда с механическим двигателем“Типы маломерных судов с механическим двигателем”). Диапазон скоростей катера 11,5—15 км/ч с двигателями мощностью соответственно 4-10 кВт (6—13,5 л. c.) (FrL = 0,43÷0,56). Смещение в корму центра величины позволило выполнить заострение ватерлиний в носу под углами 11—14°, что в сочетании с достаточным развалом бортов обеспечивает катеру хорошую всхожесть на волну.

Чертеж катера „Эврика”
Рис. 8 Теоретический чертеж катера „Эврика”

Этому качеству, а также укрытию от воды и брызг способствует выраженная седловатость линии борта с большим подъемом в носовой оконечности.

Катер „Баклан” (его характеристики см. в статье Суда с механическим двигателем“Типы маломерных судов с механическим двигателем”) имеет в два с лишним раза большее водоизмещение, чем предыдущий, однако это не мешает ему с двигателем той же мощности развивать ту же скорость (15 км/ч). Его относительная скорость по длине (FrL = 0,5) и водоизмещению (FrD = 1,15) соответствует начальной стадии переходного режима. С учетом этого кормовая часть имеет повышенную полноту, а транец при полном водоизмещении касается поверхности воды (рис. 10). Можно предположить, что для лучшей удифферентовки судна конструктор предусмотрел размещение кокпита в районе миделя, между носовой и кормовой каютами.

Чертеж пластмассового катера
Рис. 9 Теоретический чертеж пластмассового катера

Все рассмотренные катерные корпуса отличают хорошие мореходные качества, устойчивое движение по курсу, незаливаемость и незабрызгиваемость, малая чувствительность к увеличению нагрузки.

В целом можно сказать, что относительная скорость FrL = 0,5 является предельной для судов с заостренной или округлой кормовой оконечностью. Только очень легкие суда L/D36 
могут преодолевать этот рубеж.

Обводы, обеспечивающие экономичную эксплуатацию в водоизмещающем и переходном режимах, имеет лодка „Струйка” (рис. 11). Ее характеристики приведены в статье Суда с механическим двигателем“Типы маломерных судов с механическим двигателем”. Построенная для плавания по Ангаре, она копирует форму лодок местных типов, рассчитанных на преодоление сильного течения. Округлые шпангоуты в носовой части и высоко поднятая над ватерлинией скула позволяют лодке легко всходить на волну, не испытывая сильных ударов. В корме при осадке по ВЛ2 обводы типично водоизмещающие с характерной впалой (синусоидальной) формой строевой по шпангоутам.

Чертеж корпуса катера
Рис. 10 Теоретический корпус катера “Баклан”

С неполной нагрузкой (D = 0,45 т) лодка без заметного волнообразования идет со скоростью 10 км/ч (Fr = 0,36) с двигателем мощностью 2 кВт (3 л. с.). При установке двигателя мощностью 4 кВт (6 л. с.) скорость возрастает до 17—18 км/ч (FrL = 0,65). Возникающий при этом дифферент выравнивается при погружении в воду плоского транца. С полной нагрузкой (D = 0,95 т) при осадке по ВЛ3 благодаря несущей корме скорость падает незначительно — до 15 км/ч.

Для удифферентовки катеров нормального водоизмещения L/D3=55,2
, рассчитанных на достижение скоростей переходного режима, в корме необходима опорная площадка больших размеров.
Чертеж катера "Струйка"
Рис. 11 Теоретический чертеж катера “Струйка”

Эффект, достигаемый за счет правильно спроектированной широкой кормы, на скоростях FrL > 0,5 эквивалентен снижению волнового сопротивления в результате удлинения действующей ватерлинии (рис. 12). Транец, таким образом, является результатом согласования обводов корпуса и длины волны при расчетной скорости.

Более или менее умеренный изгиб линии шпунта возникает естественным образом, когда подводная часть судна гармонично вписывается в углубление, образованное системой волн. Имея равное волновое сопротивление с остроконечным корпусом увеличенной длины, катер с „отрезанной” кормой выигрывает в сопротивлении трения.

Схема удлинения ватерлинии судна
Рис. 12 Удлинение действующей ватерлинии за счет правильно спроектированной кормовой оконечности катера, рассчитанного на переходный режим движения

Полученные подобным образом обводы позволяют эксплуатировать судно в достаточно широком диапазоне скоростей. Форма корпуса катера „Тюлень” (рис. 13) рассчитана на движение при FrL = 0,5÷0,9. Плавный подъем днища к корме и незначительная осадка транцем дают основание считать, что даже в водоизмещающем режиме движение не будет сопровождаться заметными завихрениями (отношение осадок корпуса и транца Tтр/T = 5,7 по графику на рис. Гидроаэродинамика парусного судна“Система гидроаэрокрыльев” соответствует FrL = 0,38). В то же время широкое плоское днище в корме обеспечивает нормальный ходовой дифферент в пределах 1—1,5° при движении в переходном режиме.

Чертеж катера "Тюлень"
Рис. 13 Теоретический чертеж катера „Тюлень”, рассчитанного на переходный режим движения

Для катеров, рассчитанных на достижение скоростей переходного режима, эффективно используются остроскулые обводы. Линии теоретического чертежа такого судна, как можно судить по рис. 14, мало отличаются от рассмотренного круглоскулого. В то же время подъем днища и уменьшающаяся к корме килеватость получаются в этом случае более естественным образом. Скула не создает дополнительного сопротивления, так как она пересекает ватерлинию под очень малым углом, а дальше к корме идет параллельно потоку воды, обтекающему корпус.

Чертеж остроскулого катера
Рис. 14 Теоретический корпус остроскулого катера, рассчитанного на переходный режим движения

Эксплуатационные скорости этого судна 15—20 км/ч соответствуют относительным скоростям FrL = 0,48÷0,64.

Парусные суда

При выборе обводов парусных судов учитывают следующие особенности их эксплуатации: широкий диапазон эксплуатационных скоростей, движение с ходовым креном, наличие дрейфа.

Формы поперечных сечений корпуса яхт можно отнести к двум основным типам: S-образным, присущим судам традиционной конструкции с длинной килевой линией, и различного рода округлым, применяющимся на современных яхтах и швертботах (рис. 15).

Формы шпангоутов парусных яхт
Рис. 15 Формы обводов шпангоутов парусных яхт:
а – S-образная; б – V-образная; в – U-образная;. г – трапецеидальная

Корпуса с S-образными шпангоутами (рис. 16) имеют большую смоченную поверхность, которая дает прибавку до 30 % сопротивления трения по сравнению с округлыми сечениями. Это особенно сказывается в слабый ветер, когда движение яхты не сопровождается заметным волнообразованием.

Чертеж корпуса яхты
Рис. 16 Теоретический корпус и силуэт яхты традиционных обводов с длинной килевой линией

Другим недостатком этой формы поперечных сечений является глубокое расположение ЦВ, а в некоторых случаях и высоко поднятый ЦТ. Эти качества обусловливают малую метацентрическую высоту, а следовательно, и пониженную остойчивость, что отражается на ходкости судна в свежий ветер — с увеличением крена уменьшается эффективность работы парусного вооружения, возрастает дрейф.

Чертеж корпуса однотонника
Рис. 17 Теоретический чертеж однотонника постройки Таллинской верфи экспериментального судостроения

На корпусах яхт с S-образными шпангоутами значительная часть погруженного объема приходится на фальшкиль. Чрезмерная концентрация водоизмещения у миделя неблагоприятна для высоких скоростей. Коэффициент β у современных яхт в 1,2-1,5 раза меньше, чем у старых с длинным фальшкилем, а коэффициент φ соответственно больше.

Чертеж корпуса 1/4-тонника
Рис. 18 Теоретический чертеж 1/4-тонника постройки Таллинской верфи экспериментального судостроения

V-образные обводы шпангоутов пришли на смену S-образным при модернизации проектов старых яхт и переходе к швертботным формам корпусов. Они позволили уменьшить смоченную поверхность, повысить расположение ЦВ, выровнять распределение водоизмещения по длине корпуса.

Чертеж яхты "Фест-25"
Рис. 19 Теоретический чертеж французского 1/4-тонника „Фест-25”

Выявились и недостатки такого рода обводов, отмечавшиеся в частности, на первых однотонниках (рис. 17) постройки Таллинской верфи экспериментального судостроения (1968 г.). Поток воды, устремляясь по крутой дуге в пространство между плавниковым килем и установленным изолированно от него в корме пером руля, срывается на острой кромке в ДП и создает тормозящий движение яхты вихревой шнур. Яхты с V-образными шпангоутами проявляют тенденцию к зарыскиванию в наветренную сторону при сильном ветре. Эти недостатки в известной мере устранены на яхтах 1/4-тонного класса (рис. 18) постройки той же верфи (1972 г.). Уменьшенная килеватость и развитый плавник перед пером руля способствовали уменьшению индуктивного сопротивления и устойчивости яхты на курсе.

Чертеж корпуса яхты
Рис. 20 Теоретический чертеж французского однотонника „Жуэ-37”

Шпангоуты с радиальными обводами, образованными ниже ГВЛ дугой окружности, обеспечивают минимальную смоченную поверхность. В чистом виде они, однако, находят применение только на многокорпусных судах, так как не обеспечивают остойчивость. На яхтах хороший результат дают их комбинации с U-образными шпангоутами, которые придают корпусу наибольшую остойчивость. Легкие яхты (рис. 19) и швертботы с U-образной формой поперечных сечений кормовой части при благоприятных условиях могут выходить на глиссирование.

Рекомендуется к прочтению: Гребные винты малотоннажных судов

Трапецеидальные шпангоуты сочетают в себе качества радиальных и U-образных шпангоутов. Корпуса с такой формой поперечных сечений (рис. 20) имеют умеренную смоченную поверхность, большую метацентрическую высоту. Распределение водоизмещения по длине у них не изменяется при крене до 30°. Благодаря этому яхта хорошо держит курс и не зарыскивает при внезапных усилениях ветра.

Практически все перечисленные формы шпангоутов могут быть воспроизведены в вариантах с одной или несколькими острыми скулами (рис. 21). В большинстве случаев такие обводы применяются по технологическим соображениям при постройке судов с обшивкой из фанеры или легких сплавов. По ходовым качествам они не уступают круглоскулым при условии, что скулы пересекают действующую ватерлинию, в том числе и креновую, под малым углом.

Комбинируя шпангоуты с различными обводами, можно получить заданные эксплуатационные качества яхты с учетом ее назначения, района плавания и т. п.

Особо важное значение имеет выбор формы оконечностей судна. Большие кормовые и носовые свесы отошли в прошлое. Корма типа показанной на рис. 15 лишь увеличивает сопротивление, когда свес замывается водой. V-образные шпангоуты и килеватое днище в корме характерны для яхты, рассчитанной на тихоходное плавание.

Обрезная корма современной яхты отличается от рассмотренной, в принципе, только тем, что у нее нет свеса (он „обрезан”). Такие обводы образуются V-образными или трапецеидальными шпангоутами. Для улучшения обтекания практикуется образование приполненного более полого поднимающегося киля (см. рис. 20).

Для быстроходных яхт, рассчитанных на достижение скоростей ν = 3L, уз, характерна корма с подъемом батоксов, не превышающим 20°. Она сочетается с более плоским, чем у обрезной кормы, днищем, образованным U-образными, приближающимися к радиальным шпангоутами (см. рис. 18).

Чертеж корпуса остроскулых судов
Рис. 21 Теоретические чертежи остроскулых парусных судов:
а – трапецеидальный корпус швертбота класса Т „Скат”; б — плоскокилеватый корпус моторно-парусного бота

Наиболее плоские кормовые оконечности (угол схода батоксов менее 15°), как правило с широким, начинающимся от ГВЛ или даже погруженным в воду транцем имеют яхты (см. рис. 19) малого водоизмещения и швертботы, рассчитанные на активное использование режима серфинга. Для многих из них скорость ν= 4L не предел. На малых скоростях, однако, яхты с такой кормой, вследствие увеличенной смоченной поверхности и вихреобразования уступают в скорости яхтам с более острыми V-образными обводами.

Носовые оконечности современных яхт различаются в основном глубиной погружения форштевня. Классический глубокий вход форштевня с острыми обводами ниже ГВЛ (см. рис. 17) обеспечивает лучшее поведение на волне. Плоские очертания носовой оконечности применяются в сочетании с U-образными шпангоутами на яхтах, рассчитанных на достижение высоких скоростей (см. рис. 19, 20). Вступая при крене в контакт с водой скулой малого радиуса, плоская носовая оконечность уменьшает волнообразование и смягчает удары волны. В сочетании с трапецеидальными шпангоутами она уменьшает приводящий к ветру момент даже у широких судов.

Прогресс в постройке быстроходных яхт в значительной мере достигнут в результате эволюции формы и расположения киля (рис. 22). Плавниковые кили позволили не только уменьшить сопротивление трения, но и улучшили лавировочные качества яхт.

Варианты расположения киля яхты
Рис. 22 Форма и расположение киля и руля на парусной яхте:
а – руль, совмещенный с килем яхты традиционных обводов; б – плавниковый киль с триммером и руль, подвешенный на скеге; в – балансирный руль; г — подвесной руль

На яхтах типа таллинского однотонника (см. рис. 17) применение вынесенного к корме пера руля привело к снижению устойчивости на курсе. Для устранения этого недостатка на задней кромке киля был установлен закрылок — триммер, однако присущий яхтам с V-образными шпангоутами срыв потока в пространстве между килем и рулем не позволил устранить свойственное этим судам зарыскивание на ветер.

Хорошую устойчивость на курсе яхт с раздельной компоновкой киля и руля удается получить при U-образных и особенно трапецеидальных шпангоутах. Отнесенный на значительное расстояние от ЦБС (до 50 % LВЛ) руль в то же время значительно повышает эффективность управления судном.

Руль, подвешенный на плавнике, обеспечивает более спокойное управление, чем балансирный. На быстроходных судах особенно среднего водоизмещения (типа полутонников) предпочтение отдается, однако, последнему как более эффективному и создающему меньшее сопротивление.

На малых яхтах (от 1/4-тонника и ниже) и швертботах применяются навесные рули наиболее простые по конструкции, создающие за счет максимально возможного удаления от ЦБС значительный вращающий момент, хотя и теряющие эффективность при возможных порывах воздуха на стороне разрежения.

При выборе формы яхтенного киля прежде всего учитывается его гидродинамическое качество. Плавниковый киль с большим геометрическим удлинением:

λ=l2/S, 

где:

  • l – высота киля от подошвы до днища;
  • S – его площадь.

обладает минимальным индуктивным сопротивлением, однако при чрезмерном удлинении это преимущество не компенсирует дополнительного сопротивления от изменения углов атаки при бортовой качке на курсах галфвинд — бакштаг.

Максимальное удлинение имеют подъемные кили и шверты гоночных швертботов, минимальную — тихоходные туристские суда, нередко ограниченные по осадке условиями эксплуатации. На последних нередко применяют скуловые кили (рис. 23), обеспечивающие ряд эксплуатационных преимуществ (малая осадка, удобная постановка на суше и др.), однако не отличающиеся эффективностью в связи с малым гидродинамическим удлинением.

Корпус яхты со скуловыми килями
Рис. 23 Теоретический чертеж яхты со скуловыми килями

В плане плавниковые кили выполняются прямоугольной формы или со скошенными одной либо обеими кромками (рис. 24). К первым относятся в основном подъемные кили и кинжальные шверты.

Скос киля благоприятно влияет на центровку яхты при ходе с креном. Когда значительная часть плавника оказывается в теневой стороне потока за корпусом, центр гидродинамической подъемной силы смещается вниз, а благодаря скосу еще и назад. В результате уменьшается приводящий к ветру момент.

Различные виды судовых килей
Рис. 24 Формы килей:
а – полутонника “Картер-30”; б – 1/4-тонника “Дюфур-24”; в – серийного полутонника; г – подъемный киль минитонника “Этап-23”

Для профиля киля с учетом реально возможных скоростей обычно отношение толщины поперечного сечения к хорде принимается в пределах 10—12 %. Применяя переменную по высоте киля профилировку, добиваются смещения в нужную сторону центра приложения подъемной силы. Увеличение толщины профиля в нижних сечениях позволяет сконцентрировать здесь большую часть балласта и за счет этого увеличить остойчивость. С той же целью применяется бульбокиль. При плавании на спокойной воде обтекаемая наделка на пятке киля не создает заметной прибавки сопротивления. Работая как шайба, она даже способствует уменьшению сопротивления, точнее его индуктивной составляющей. Эти преимущества, однако, не компенсируют дополнительное сопротивление, возникающее в результате срыва потока на верхней и нижней сторонах бульба при килевой качке.

Читайте также: Малотоннажные суда на подводных крыльях

Более эффективно работают устанавливаемые на пятке киля шайбы-закрылки. Такая конструкция способствовала победе яхты „Австралия” на гонках Кубка Америки в 1984 г. Применение подобных закрылков требует каждый раз проведения специальных исследований, поэтому в обычной практике яхтостроения к ним прибегают редко.

При проектировании обводов многокорпусных парусных судов в целом руководствуются теми же закономерностями, что и для яхт. Принципиальным отличием является способ обеспечения поперечной остойчивости, которая практически не зависит от обводов и размерений корпусов, а определяется общей шириной судна.

Предпочтительны для корпусов катамаранов радиальные шпангоуты, обеспечивающие наименьшее сопротивление трения, однако в связи с тем, что для уменьшения волнообразования при высоких скоростях необходима очень большая величина отношения L/В, прибегают к меньшему, чем у полукруглых корпусов, отношению B/T, учитывая, что на волновое сопротивление это не оказывает влияния. При этом применяются U и V-образные шпангоуты (рис. 25). При отрыве наветренного корпуса от поверхности воды такие обводы смягчают силу его ударов о волны.

Чертеж корпуса катамарана
Рис. 25 Теоретический корпус поплавка гоночного катамарана

Для повышения боковой подъемной силы, противодействующей дрейфу, корпусам катамаранов, особенно тех, на которых не предусмотрены кили или шверты, придают асимметричный профиль с выпуклым внутренним и плоским наружным бортами (рис. 26). При этом, однако, несколько увеличивается смоченная поверхность.

Катамараны относятся к судам, имеющим наибольшую относительную длину по водоизмещению, которая для них определяется формулой:

L/D/23.

Для крейсерских судов эта характеристика находится в пределах 6—10; для гоночных достигает 16. Малая масса и большая длина корпусов — основные критерии, определяющие скорость многокорпусных судов.

Для уменьшения волнообразования выгодны высокие значения призматического коэффициента. Особенно это имеет значение для тяжелых крейсерских катамаранов, для которых φ = 0,6÷0,75. У легких судов зависимость сопротивления от распределения водоизмещения по длине корпусов меньше (для них обычно φ = 0,55÷0,6).

Для уменьшения вихреобразования ватерлинии в корме заостряют под углом 10—12°. Длину кормового заострения Lк рекомендуется принимать равной:

4βBT.

Оно может быть образовано как сужением бортов, так и подъемом днища. В последнем случае корма заканчивается транцем. Носовые ватерлинии должны быть слегка выпуклыми и иметь примерно то же заострение, что и кормовые.

Чертеж катамарана "Лебедь"
Рис. 26 Теоретический чертеж катамарана „Лебедь” (характеристики см. в статье “Малые суда парусного типа”)

На тримаранах основная нагрузка сосредоточена в среднем корпусе. Обычно он имеет радиальные (рис. 27) или многоскуловые (рис. 28) обводы в средней части, переходящие в U-образные к корме и V-образные — к носу. В связи с тем, что его относительная по водоизмещению длина меньше, чем у корпусов катамарана, более естественна транцевая корма. Борта выше ГВЛ для увеличения полезного объема нередко делают с значительным развалом.

Объем каждого поплавка-аутригера рассчитывают так, чтобы при его погружении обеспечивалась поперечная остойчивость при любой ветровой нагрузке. Вместе с тем, чтобы не допустить резкого повышения в этом случае сопротивления, необходимый объем получают за счет максимально возможного увеличения длины. На быстроходных тримаранах поплавки нередко длиннее среднего корпуса. Для улучшения всхожести на волну носовые оконечности аутригера выполняют с подъемом, для этой же цели устанавливаются бортовые плиты-брызгоотбойники.

Чертеж обводов тримарана
Рис. 27 Схема обводов крейсерско-гоночного тримарана (L = 19,2 м, D = 3,2 т)

Для уменьшения дрейфа поплавкам тримарана, как и корпусам катамарана, нередко придает асимметричную в плане форму и, кроме того, устанавливают под углом до 5° к ДП среднего корпуса. Благодаря этому погруженный подветренный поплавок создает значительную поперечную силу, препятствующую сносу. По высоте поплавки устанавливаются так, чтобы их килевая линия была на уровне или немного выше ГВЛ среднего корпуса. Это уменьшает замывание наветренного поплавка на острых курсах и позволяет снизить сопротивление за счет движения на одном среднем корпусе при умеренном попутном ветре.

У проа атлантического типа постоянно находящийся под ветром поплавок должен, как и аутригер тримарана, обеспечивать остойчивость при любой ветровой нагрузке. Обводы проа этого типа проектируются по аналогии с тримаранными с той разницей, что корпус и поплавок должны быть симметричными относительно миделя, так как при поворотах корма и нос меняются местами.

Схема корпуса тримарана
Рис. 28 Теоретический чертеж малого крейсерского тримарана с остроскулыми обводами (характеристики см. в статье “Малые суда парусного типа”)

У летучего проа аутригер, играющий роль против веса, значительно короче основного корпуса. Форма его обводов не имеет существенного значения (на микронезийских проа в качестве аутригера часто использовалось бревно), однако для уменьшения силы ударов о волны оконечности заостряются, а днищу придается килеватость.

Гребные лодки

Все гребные лодки относятся к водоизмещающим, для которых режим плавания ограничивается FrL = 0,35 и редко (у специальных спортивных судов) поднимается до FrL = 0,4÷0,45. В связи с этим различия в обводах этого типа судов объясняются не столько требованиями гидродинамики, сколько необходимостью обеспечения определенных мореходных качеств, а также способами постройки и применяемыми материалами.

Классические обводы гребных судов, сохранившиеся у лодок народной постройки, корабельных шлюпок, парусно-весельных ялов, характеризуются заостренными в носу и корме ватерлиниями, плавным подъемом батоксов, значительной седловатостью бортов. Такие обводы в полной мере соответствуют технологии изготовления корпуса с деревянной обшивкой, устанавливаемой в гладь или внакрой. Благодаря приподнятым оконечностям лодки хорошо преодолевают волну, а большой протяженности киль, переходящий в корме в плавник, способствует устойчивости на курсе. Круглоскулые обводы характерны для корабельных шлюпок, ялов, баркасов, прогулочных лодок.

Шлюпка скорлупной конструкции (рис. 29) представляет собой судно минимальных размерений с подобными обводами. Большая ширина корпуса (L/В = 2,35), обусловленная Требования регистра к непотопляемости морских судовтребованиями остойчивости, привела к необходимости приполнить обводы в оконечностях. Большой угол входа ватерлиний не может не сказаться на ходкости — перед форштевнем будет неизбежно подниматься крутой бурун уже при скорости 6 км/ч (FrL = 0,33). Широкий транец, начинающийся от BЛ1, по мере увеличения осадки шлюпки с полным грузом создает завихрения, увеличивающие сопротивление формы.

Шлюпка скорлупной конструкции
Рис. 29 Теоретический чертеж шлюпки скорлупной конструкции

Основное назначение шлюпки, используемой в качестве бортовой, в том числе и на крупных катерах и яхтах позволяет, однако, пренебречь этими недостатками ради ее высоких мореходных качеств. Все же при подобных размерениях более целесообразно применение обводов с одной или двумя острыми скулами и носовым транцем — форшпигелем.

Будет интересно: Гидродинамические силы, влияющие на рулевое устройство малотоннажного судна

Благодаря увеличенному объему носовой оконечности и большой площади ГВЛ тузик „Джек Шпрот” (рис. 30) достаточно остойчив, не раскачивается при гребле. Высоко поднятый нос (0,6 м от ОЛ) позволяет легко всплывать на встречную волну, несмотря на установленный форшпигель. Главной причиной, побудившей конструктора применить остроскулые обводы, является, однако, не обеспечение мореходности, а использование для постройки тузика фанеры, не поддающейся изгибу в двух плоскостях.

Большинство серийных прогулочных гребных лодок строится с обводами, которые должны обеспечивать их нормальную эксплуатацию не только на веслах, но и с подвесными моторами малой мощности.

О сложности выбора таких „компромиссных” обводов свидетельствует опыт постройки и модернизации пластмассовой лодки „Пелла”.

Первоначально принятые обводы (рис. 31, а) характеризуют ее прежде всего как гребное судно. Форма кормы с зауженными ватерлиниями и плавно поднимающимися батоксами обеспечивает обтекание без завихрений. Эксплуатация лодки с мотором, однако, показала, что из-за сильного дифферента на корму заставить ее глиссировать практически невозможно.

Обводы тузика "Джек шпрот"
Рис. 30 Схема обводов тузика „Джек шпрот”

Второй вариант „Пеллы” (рис. 31, б) отличается прежде всего увеличенной шириной (по ГВЛ на миделе примерно на 250 мм). Транец не только приполнен, но и опущен ниже ГВЛ. Модернизированные обводы явно тяготеют к форме моторных судов. И все же получить ощутимый прирост в скорости по сравнению с первым вариантом не удалось, так как дифферент на корму при ходе под мотором уменьшился незаметно. Не получив ощутимого преимущества в моторном варианте, модернизированная „Делла”, конечно, не выиграла и в гребном. Приемлемый ход на веслах достигается только при незагруженной корме и расположении гребца на средней банке, когда транец полностью выходит из воды и обтекание становится плавным.

Схема обводов гребных лодок
Рис. 31 Обводы гребных лодок:
а, б – „Пелла”, первый и второй варианты; в – фофан; г – 10-весельная шлюпка; д – 6-весельный вельбот; е – лодка народной постройки гдовка; ж – „Мах-4”

Достоинством обоих вариантов лодки является хорошая устойчивость на курсе, которой способствуют продолженный до кормы киль, а на модернизированной „Пелле” также расположенные параллельно ДП гофры на днище. Форма обводов, а также повышенная ширина второго варианта повысили остойчивость лодки, уменьшили ее валкость.

В обводах „Пеллы”, особенно ее первого варианта, отразились черты, присущие формам классических деревянных лодок, к числу которых относится лодка, спроектированная еще в начале века Фандер-Флитом, известная и по сей день под названием фофан (рис. 31, в). Размерения и обводы лодки как нельзя лучше соответствуют ее прямому назначению — плаванию на веслах. Полого поднимающийся форштевень и заостренные ватерлинии, плавный подъем батоксов в корме и поднятый над водой транец способствуют легкому ходу, мягкому всплытию на волну. Значительная ширина и развал бортов обеспечивают уровень остойчивости, который делает безопасной эксплуатацию лодки на прокатных станциях. С одним гребцом лодка легко развивает скорость 6—7 км/ч.

Для многовесельных судов — морских ялов и баркасов наиболее эффективное использование энергии гребцов достигается за счет максимального удлинения и заострения ватерлиний. Свесы оконечностей принимаются минимальными, благодаря чему действующая ватерлиния немногим короче габаритной длины корпуса. S-образные очертания ватерлиний в носу позволяют получить угол заострения 10—12°, что предельно снижает затраты энергии на образование носового буруна. Пологий подъем батоксов и поднятый выше ГВЛ транец снижают завихрения за кормой. 10-весельная шлюпка (рис. 31, г) длиной 7,8 м легко развивает скорость 11—12 км/ч, что соответствует FrL = 0,35÷0,38.

Отдельный класс мореходных гребных судов представляют вельботы (рис. 31, д), которым обязана своим названием корма заостренной формы (вельботная). В пределах водоизмещающего режима вельботные обводы обеспечивают легкий экономичный ход как на тихой воде, так и при волнении. Они способствуют смягчению килевой качки при встречной и попутной волне, обеспечивают хорошую устойчивость движения при косой волне. Дополнительным преимуществом острых кормовых образований является возможность движения вперед носом либо кормой с примерно равной скоростью, что особенно ценно для спасательных вельботов. К недостаткам вельботных обводов можно отнести уменьшенный за счет заостренной кормы момент инерции ГВЛ, что ухудшает остойчивость.

Среди туристских гребных судов форма корпуса с заостренной кормой применяется главным образом на байдарках, остойчивость которых в необходимых пределах обеспечивается за счет низкого расположения ЦТ.

Такие обводы применяются также практически на всех типах спортивных гребных судов, рассчитанных на достижение высоких скоростей:

  • байдарках;
  • каноэ;
  • академических двойках;
  • четверках;
  • восьмерках.

Лодки народной постройки с заостренной кормой (рис. 31, е) обычно имеют прямую без подъема килевую линию, что обеспечивает в условиях относительно спокойных акваторий устойчивое движение, а кроме того, значительно упрощает технологию постройки. Заострение ватерлиний при этом достигается за счет сужения бортов, что делает возможным применять упрощенные остроскулые обводы, пригодные для воспроизведения в любом материале, в том числе из широких досок, а в современном варианте — из фанеры. Большой развал бортов (рис. 31, е) компенсирует снижение остойчивости.

Предлагается к прочтению: Гидродинамические характеристики гребных винтов и технология построения паспортных диаграмм

Предельно упрощенные вельботные обвода использованы на лодке „Мах-4” Е. П. Смургиса (рис. 31, ж). По обводам близкая к байдарке, лодка значительно превосходит ее по мореходности. Большая длина корпуса позволила получить отношение L/B и углы заострения ватерлиний на уровне спортивных гребных судов. С одним гребцом лодка развивает скорость 10 км/ч, а с двумя — более 12 км/ч, что соответствует FrL = 0,4.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Январь, 12, 2021 823 0
Добавить комментарий

Читайте также

Текст скопирован
Пометки
Избранные статьи
Loading

Здесь будут храниться статьи, сохраненные вами в "Избранном". Статьи сохраняются в cookie, поэтому не удаляйте их.

Статья добавлена в избранное! Перезагрузка...