Малотоннажные суда водоизмещающего типа

Эффект, достигаемый за счет правильно спроектированной широкой кормы, на скоростях Fr_L > 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.

Полученные подобным образом обводы позволяют эксплуатировать судно в достаточно широком диапазоне скоростей. Форма корпуса катера „Тюлень” (рис. 13) рассчитана на движение при Fr_L = 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 T_тр/T = 5,7 по графику на рис. Гидроаэродинамика парусного судна“Система гидроаэрокрыльев” соответствует Fr_L = 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.

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.

Эксплуатационные скорости этого судна 15—20 км/ч соответствуют относительным скоростям Fr_L = 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).

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.

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.

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.

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.

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.

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 = 3√L, 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).

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= 4√L 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.

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 % L_ВЛ) 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:

$\lambda =l^2/S,$

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.

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.

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.

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:

$L/\sqrt[3]{D/2}.$

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 L_к рекомендуется принимать равной:

$4\sqrt{\beta BT}.$

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.

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.

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.

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 Fr_L = 0,35 и редко (у специальных спортивных судов) поднимается до Fr_L = 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 (Fr_L = 0,33). Широкий транец, начинающийся от BЛ1, по мере увеличения осадки шлюпки с полным грузом создает завихрения, увеличивающие сопротивление формы.

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.

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.

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 Fr_L = 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 Fr_L = 0,4.