СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СКОРОСТИ СУДНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области судостроения и касается конструирования бульбообразной носовой оконечности судна.

Известен способ повышения скорости судна, заключающийся в том, что подводную часть корпуса судна изготавливают с носовым и кормовым бульбом, носовым бульбом снижают волнообразование при движении судна и уменьшают сопротивление воды, носовой бульб выполняют с площадью поперечного сечения, составляющей 2…15% и более от площади сечения подводной части судна в его середине, а кормовым бульбом выравнивают поле скоростей потока за кормой судна, при этом носовому бульбу придают форму эллипсоида с полусферой на его лидирующей оконечности [1].

В предлагаемом способе изготовление носового бульба на корпусе судна существенно повышает скорость судна за счет снижения волнообразования, что уменьшает сопротивление воды. Изготовление корпуса судна с кормовым бульбом повышает эффективность работы гребного винта. Однако эллипсоидная форма носового бульба судна не является достаточно эффективной для снижения сопротивления воды движению судна из-за значительного перепада напряжений перед носовой частью судна в воде.

Технический результат по способу повышения скорости судна, заключающемуся в том, что подводную часть корпуса судна оснащают носовым бульбом, носовой бульб изготавливают с площадью поперечного сечения, составляющей 2…15% и более от площади сечения подводной части судна в его середине и с полусферой на его лидирующей оконечности, достигается тем, что лидирующую оконечность носового бульба в горизонтальных продольных сечениях выполняют по дуге окружностей радиусом R_Г с углом L° кругового сектора полуконтакта, равным углу φ° внутреннего трения воды на глубине h (см) от свободной поверхности, L°=φ°_В=arctg[1-С_в/(γ_В·h)]=arctg[1-(0,28/h)], где С_в=274,642·10^-6 (кг/см²) - удельное сцепление воды, γ_В.ср≈981·10^-6 (кг/см³) - удельный вес воды, а в вертикальных продольных сечениях - по дуге окружностей радиусом R_в с углом β кругового сектора полуконтакта, равным углу φ_В внутреннего трения воды на глубине h>80 см, β°=φ°_В≈45°.

Теоретические основы «Физики материального контактного взаимодействия» свидетельствуют, что вода обладает жидкокристаллической структурой и, как любая материальная среда, удельным сцеплением С_в=274,642·10^-6(кг/см²) и углом внутреннего трения φ°=arctg[1-С_в/(γ_В·h)]. Контакт воды с жестким носовым бульбом подводной носовой оконечности судна происходит при его движении при равномерном распределении давления перед носовой сферической оконечностью бульба при условии, что сферическая оконечность бульба имеет контакт по круговому сектору полуконтакта с углом, равным углу φ внутреннего трения воды [2].

Известно устройство носовой оконечности судна, содержащее бульбовую наделку с боковыми стенками, клиновидно сходящихся книзу и состыкованными с корпусом судна по линии слома, а также выполненными вогнутыми и образующими закругленный профиль бульбовой наделки в районе диаметральной плоскости, при этом верхняя точка примыкания бульбовой наделки к корпусу судна расположена впереди носового перпендикуляра на высоте Н ≥k·F_Г ²·L над грузовой ватерлинией, нижняя - на высоте от основания линии, равной не более ¹/₄ грузовой осадки, а ширина и длина бульбовой наделки в плоскости грузовой ватерлинии соответственно равны b=(0,09…0,15)·В, l≈0,07В+F_Г ²·L, где Н (м) - высота бульбовой наделки над плоскостью грузовой ватерлинии, b (м) - ширина бульбовой наделки в плоскости грузовой ватерлинии в районе ее присоединения к корпусу судна, k - безразмерный коэффициент, F_Г - число Фруда, L (м) - длина судна между перпендикулярами, l (м) - длина бульбовой наделки, В (м) - ширина корпуса судна [3].

Известно также устройство корпуса судна, содержащего носовую бульбовую оконечность и транцевую кормовую оконечность, причем корпус на миделевом шпангоуте выполнен со скруглением скулы по радиусу, отличающееся тем, что радиус кривизны скругления миделевого шпангоута равен радиусу осадок от грузовой марки до уровня ватерлинии судна без груза с минимальными запасами [4].

Носовые бульбовые оконечности судов с известным закругленным профилем не обеспечивают возможные снижения сопротивления воды движению судна. Так, выполнение носовой бульбовой оконечности в форме полусферы способствует развитию седлообразной эпюры контактных напряжений перед сферой с максимальными пиками напряжений по краям полусферы, а выполнение носовой бульбовой оконечности в форме полуэллипсоида способствует развитию значительной эпюры контактных напряжений корпуса бульбовой оконечности с водой с максимумом перед центром бульбовой оконечности, что резко повышает волнообразование перед корпусом судна и снижает его скорость перемещения.

Технический результата по устройству для повышения скорости судна, состоящему из носового бульба на подводной носовой части корпуса судна, выполненного с площадью поперечного сечения, составляющей 2…15% и более от площади поперечного сечения подводной части судна в его середине, и с полусферой на лидирующей оконечности, достигается тем, что лидирующая оконечность носового бульба в горизонтальных продольных сечениях выполнена по дуге окружностей радиусом R_Г с углом L кругового сектора полуконтакта, равным углу φ внутреннего трения воды на глубине h (см) от свободной поверхности, L°=φ°=arctg[1-С_в/(γ_В·h)]=arctg[1-(0,28/h)], где С_в=274,642·10^-6 (кг/см²) - удельное сцепление воды, γ_Вср=981·10^-6 (кг/см³) - удельный вес воды, а в вертикальных продольных сечениях - по дуге окружностей радиусом R_в с углом β кругового сектора полуконтакта, равным углу φ_В внутреннего трения воды на глубине h>80 см, β°=φ°_В≈45°.

Теоретические основы «Физики контактного материального взаимодействия» свидетельствует, что только выпуклый полусферический контакт более жесткой материальной среды со слабой по прочности средой под углом L° кругового сектора, равным углу внутреннего трения φ° слабой среды (L°=φ°), позволяет создать равномерную эпюру контактных напряжений двух сред, что и реализовано в предлагаемом устройстве для снижения гидродинамического сопротивления воды движению судна и повышения его скорости.

Предлагаемые изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг. 1 представлен носовой бульб судна на поверхности носовой части корпуса судна с вертикальной эпюрой лидирующих избыточных контактных напряжений σ_К; на фиг. 2 - сечение А-А носовой оконечности бульба судна с горизонтальными эпюрами лидирующих контактных напряжений σ_К перед носовой оконечностью бульба; на фиг. 3 - вертикальные поперечные сечения В-В носового бульба, вытянутого а) по горизонтали и б) - по вертикали; на фиг. 4 - эпюра лидирующих контактных напряжений перед носовым бульбом с эллипсоидной оконечностью; на фиг. 5 - эпюра лидирующих контактных напряжений перед полусферической оконечностью носового бульба судна.

Устройство для повышения скорости судна состоит из корпуса 1 судна (фиг. 1, фиг. 2), жестко связанного с носовым бульбом 2 на подводной носовой части корпуса судна. Носовой бульб 2 выполнен с площадью поперечного сечения, составляющей 2…15% и более от площади поперечного сечения подводной части судна в его середине, и с полусферой 3 на лидирующей оконечности. При этом лидирующая оконечность носового бульба 2 в горизонтальных продольных сечениях (фиг. 2) выполнена по дуге окружностей радиусом R_Г с углом L кругового сектора полуконтакта, равным углу φ внутреннего трения воды на глубине h (см) от свободной поверхности, L°=φ°=arctg[1-С_в/(γ_В·h)]=arctg[1-(0,28/h)], где С_в=274,642·10^-6(кг/см²) - удельное сцепление воды, γ_В.ср=981·10^-6(кг/см³) - удельный вес воды, а в вертикальных продольных сечениях - по дуге окружностей радиусом R_в с углом β кругового сектора полуконтакта, равным углу φ_В внутреннего трения воды на глубине h>80 см, β°=φ°_В=45°, при этом поперечные сечения носового бульба выполнены в виде вертикально сжатого эллипса 4 (фиг. 3а) и в виде вертикально вытянутого (фиг. 3б) эллипса 5 или окружности.

В предлагаемом способе повышения скорости судна, заключающемся в том, что подводную носовую часть корпуса 1 судна оснащают носовым бульбом 2, носовой бульб изготавливают с площадью поперечного сечения, которая составляет 2…15% и более от площади поперечного сечения подводной части судна в его середине, лидирующую оконечность 3 носового бульба 2 в горизонтальных продольных сечениях выполняют по дуге окружностей радиусом R_Г с углом L кругового сектора полуконтакта, равным углу φ внутреннего трения воды на глубине h (см) от свободной поверхности - L°=φ°=arctg[1-С_в/(γ_В·h)]=arctg[1-(0,28/h)], где С_в=274,642·10^-6 (кг/см²) - удельное сцепление воды γ_В.ср=981·10^-6 (кг/см³) - удельный вес воды, а в вертикальных продольных сечениях - по дуге окружностей радиусом R_в с углом β кругового сектора полуконтакта, равным углу φ°_В внутреннего трения воды на глубине h>80 см - β°=φ°_В=45°. При этом поперечные сечения носового бульба выполняют в форме вертикально или горизонтально вытянутого эллипса или окружности.

За счет устранения пиков контактных напряжений перед полуэллиптической (фиг. 4) или перед полусферической оконечностью 3 (фиг. 5) носового бульба 2 в известных способах повышения скорости судна и замены их на поверхность эллипсоидной или шаровой поверхности носового бульба с углами L или β раскрытия круговых секторов полуконтакта продольных горизонтальных и вертикальных сечений получают равномерную эпюру контактных напряжений, снижение гидродинамического сопротивления движению судна и повышение его скорости.

Источники информации

1. Политехнический словарь. / Гл. ред. И.И. Артоболевский. - М.: «Советская Энциклопедия», 1977. - С. 62 (слово - бульб).

2. Хрусталев Е.Н. Контактное взаимодействие в геомеханике. Ч.II. Напряжения и деформации оснований сооружений: Монография. - Тверь: «Научная книга», 2007. - С. 76 (рис. 2.9а), 84 (рис. 2.14).

3. Патент РФ №2067942. Носовая оконечность судна. / Кокорин В.А., B63B 1/06, от 12.11.1993.

4. Патент РФ №2091267. Корпус судна. / Белов Л.В., Бодягин А.А., B63B 1/02, B63B 1/00, B63B 1/04, от 29.05.1995.