высокоэкономичные водоизмещающие суда новой
advertisement
Сверхскоростные и высокоэкономичные водоизмещающие суда новой конструкции с носовым расположением движителей. Аннотация Подавляющую часть мирового надводного флота составляют суда водоизмещающего типа с движителями, расположенными в кормовой части. Но за многие десятки лет своего существования скорость судов подобного типа существенно не изменилась и в настоящее время составляет несколько десятков километров в час, несмотря на совершенствование формы корпуса и двигательные установки в сотни тысяч лошадиных сил. Объясняется это тем, что сопротивление движению таких судов с ростом скорости растет резко нелинейно и требует для его преодоления больших энергетических затрат. Но именно размещение движителей в кормовой части судна создает условия для возникновения сил сопротивления движению. Так, при работе движителей, в кормовой части судна создается зона пониженного давления, а на его носовую часть действуют соответствующие силы лобового давления. Преодолевая его и раздвигая массу воды, корпус судна создает систему волн, приводящую к появлению волнового сопротивления. Оно принципиально ограничивает скорость движения судна известным соотношением Фруда. При движении судна на его корпус действуют силы трения, также противодействующие движению. Сумма этих основных сил и создает мощное сопротивление движению судов. Вполне логично в связи с этим выглядели попытки размещения движителей на носовой части судна. "Передний привод" должен был снизить лобовое давление и привести к появлению сил кормового давления, действующих в направлении движения. Однако положительный эффект у известных конструкций судов с "передним приводом" практически полностью ликвидируется возрастанием сил трения за счет "прилипания" упорных струй к корпусу и перераспределения сил давления по корпусу судна. Как известно, пропульсивные качества судна определяются не только сопротивлением движению корпуса и КПД двигателя, но существенно зависят от величины коэффициента засасывания t и коэффициента попутного потока W. От этих коэффициентов в свою очередь зависит коэффициент влияния корпуса nk. При традиционных обводах корпуса и расположении движителя в корме t = 0,06-0,08, W= 0,02-0,05, а коэффициент влияния корпуса nk=1-t/1-W = 0,94-0,98, т.е. достаточно близок к пределу. При носовом расположении движителей у известных конструкций судов t =0,2, W =0, а коэффициент влияния корпуса nk = 0,8, т.е. пропульсивные качества судна в этом случае ухудшаются почти на 20%.. Это одна из причин, по которой "передний привод" до настоящего времени не нашел практического применения в судостроении. Числовые данные коэффициента nk показывают, что надводные суда традиционного типа имеют практически очень малый (на несколько процентов) резерв для улучшения своих технико-экономических показателей. Выход из данной ситуации возможен только путем перехода к качественно иной технической системе. Из формулы коэффициента nk можно видеть, что обеспечить его существенное увеличение может только коэффициент попутного потока W. При его увеличении до единицы коэффициент nk стремится к бесконечности. Следует отметить, что попутному потоку в судостроении уделяется явно недостаточное внимание, хотя его влияние на движение судна известно и пассивно используется. Его влияние описывается, например, в книгах Т.К. Гилмер. Проектирование современного корабля. Л., Судостроение, 1984, с.153; Х. Баадер. Разъездные, туристские и спортивные катера. Л., Судостроение, 1977, с.274). В последней из указанных книг говорится: "Гребной винт всегда стремятся расположить как можно выгоднее в поле попутного потока, влияние которого увеличивает упор винта, не требуя для этого увеличения мощности. Чем сильнее попутный поток, тем меньшая мощность требуется от движителя". Однако создать попутный поток, способный оказать заметное влияние на пропульсивные качества судов, до настоящего времени не удавалось. Такая задача в литературе по судостроению в явном виде также не встречается. В то же время в природных условиях такие по- токи можно наблюдать довольно часто, например, за резкими выступами или изгибами берегов рек. Это мощные и достаточно протяженные потоки, направленные против течения реки. В литературе по судовождению они носят название аномальных течений и весьма неприятны и даже опасны для малых судов. На сибирских реках в них попадают и не могут из них выйти даже вековые деревья. Таким образом, если повторить это природное явление техническими средствами и создать вдоль корпуса судна достаточно мощный попутный поток, то появится возможность значительно снизить энергозатраты судна или повысить скорость его движения при той же мощности двигательной установки. Оценим количественно возможное улучшение пропульсивных качеств судна по данному техническому решению. Принимаем для носового расположения движителей t=0,2, которым мы оперировали ранее. Учитываем, что в данном случае попутным потоком может быть охвачена практически вся подводная часть корпуса за миделевым сечением, т.е. W = 0,8-0,9. Тогда получаем nk = 1-0,2 / 1-(0,8-0,9) = 4-8. Отсюда видно, что данное техническое решение позволит повысить пропульсивные качества судна в несколько раз, а не на несколько процентов, которые есть еще в резерве у судов традиционной конструкции. Скорости движения водоизмещающих судов порядка ста и более километров в час при этом могут стать вполне реальными, что позволит вывести водный транспорт на качественно иной уровень. При этом поле деятельности здесь практически безгранично - от скоростных спортивных и разъездных катеров до гигантских транспортных судов и танкеров. Однако, по мнению специалистов, провести чисто теоретические обоснования описанных выше физических эффектов достаточно сложно. Более корректным будет проведение эксперимента на полномасштабных моделях и/или натурные испытания маломерного судна, которые должны подтвердить справедливость изложенной выше идеи и дать жизнь новому направлению в судостроении. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта. Развитие транспортных средств характеризуется неуклонным увеличением их скоростей. Быстрыми темпами растут скорости самолетов, существенный сдвиг в скоростях произошел за последние десятилетия на железнодорожном транспорте, ускоряют свой бег автомобили. И лишь скорости транспортных судов, несмотря на наиболее длительный период их развития по сравнению с другими видами транспорта, остаются намного ниже скоростей других транспортных средств. Причина сравнительной тихоходности судов кроется в том, что судно, двигаясь на грани двух сред (воды и воздуха), вынуждено производить сложные возмущения больших масс тяжелой и вязкой жидкости, требующие значительных затрат энергии для достижения скольконибудь значительной скорости. Наиболее относительно дешёвые и привычные скоростные катера - глиссеры, имеют принципиально ограниченную слемингом днища мореходность, а также ограниченную устойчивостью движения скорость. Увеличение килеватости днища, повышающее мореходность и устойчивость движения, приводит к заметному увеличению буксировочного сопротивления при глиссировании. В последнее время ряд судостроителей связывают возможность улучшения скоростных и мореходных качеств глиссирующих катеров с применением искусственной кавитации, а также устройств механизации несущей поверхности с использованием интерцепторов. Вместе с тем как один, так и другой способ не приводят к радикальным улучшениям скоростных и мореходных качеств глиссеров. Известны разновидности глиссеров с так называемой «воздушной каверной», обладающие более высокой скоростью движения. Однако их существенным недостатком является периодическая потеря давления в искусственной днищевой каверне уже при относительно небольшом волнении. Дополнительно приходится констатировать, что оптимальное значение ширины днища такого судна оказываются заметно больше, нежели у классического глиссера. В результате на волнении свыше 2-3 баллов такое судно «на каверне» уступит грамотно спроектированному традиционному глиссеру и в скорости, и в мореходности. 2 Разработка принципов движения судов с использованием подводных крыльев и воздушной подушки позволила в 50- 60-х годах создать пассажирские суда со скоростями хода в два-три раза превышающими скорости судов традиционного типа. Флот скоростных судов стал быстро расти. В 80-е годы к скоростным судам на подводных крыльях (СПК) и воздушной подушке (СВП) присоединились скоростные катамараны. Выигрыш в сопротивлении воды движению у катамаранов по сравнению с обычными судами достигается при больших удлинениях корпусов (более 18-20) и больших относительных скоростях (числа Фруда более 0,5). Катамараны постепенно вытесняют СПК и СВП из состава мирового флота, доля которых уменьшилась с 40 до 25%. Такое падение интереса к СПК и СВП связано прежде всего с повышенными расходами на эксплуатацию этих судов. Кроме того, повышение их водоизмещения ограничено сверху водоизмещением 500—600т, что весьма сужает область их использования. Кроме того, скорости таких катеров принципиально ограничены кавитацией крыльев, которая вызывает резкое падение подъёмной силы. Уже на скоростях, превышающих 40 узлов, начинается кавитация крыльев, прососы воздуха по стойкам. Гребные винты работают в условиях ещё более развитой кавитации, снижающей достижимые значения КПД. За последние 10 лет рынок скоростных коммерческих судов значительно расширился. Постоянный рост интереса к подобным судам связан с возрастающей потребностью общества в увеличении скорости перевозок в целом и морских в частности. Существует большое число транспортных линий, на которых скоростные суда могут успешно конкурировать с другими видами морского, сухопутного и воздушного транспорта. Поэтому скоростные морские и речные суда являются наиболее перспективным направлением развития водного транспорта во всем мире. Но, несмотря не существующие технико-экономические потребности общества, и как было показано выше, в настоящее время ни один из известных типов катеров, а особенно водоизмещающие суда, по разным причинам не имеет существенных резервов роста скорости и других технических характеристик. Некоторого их улучшения удается добиться путем совершенствования формы корпуса (обычно за счет существенного его усложнения) и применения более мощных энергетических установок. Но и увеличение мощности движителей также крайне не эффективно, ибо увеличение скорости движения в 2 раза требует в этом случае более чем 8-кратного увеличения мощности. В связи с этим более чем актуальны новые технические решения, направленные на резкое улучшение характеристик судов. Именно это и позволяет сделать предлагаемое техническое решение. Сущность предлагаемой разработки. При работе движителей судов традиционной конструкции в их кормовой части создается зона пониженного давления, а на носовую часть действуют соответствующие силы лобового давления. Преодолевая его и раздвигая массу воды, корпус судна создает систему волн, приводящую к появлению волнового сопротивления, принципиально ограничивающего скорость движения судна известным соотношением Фруда. При движении судна на его корпус действуют силы трения, также противодействующие движению. Сумма этих основных сил и создает мощное сопротивление движению судов. У известных конструкций судов с размещением движителей на носовой части положительный эффект за счет снижения лобового давления практически полностью ликвидируется возрастанием сил трения за счет "прилипания" упорных струй к корпусу и перераспределения сил давления по корпусу судна. В обоих случаях суда имеют малые скорости движения, большие энергозатраты и недостаточно высокие мореходные качества. В предлагаемом техническом решении составляющие сил сопротивления либо существенно ослабляются, либо меняют свое направление и помогают движению. Это позволит в несколько раз увеличить скорость движения судов, снизить их энергозатраты, повысить мореходные и эксплуатационные характеристики судов. 3 Сущность предлагаемой разработки заключается в целенаправленном создании и комплексном использовании следующих физических эффектов у новой конструкции судна: - создание прогиба водной поверхности и зоны пониженного давления (разрежения) перед носовой частью судна и появление вследствие этого сил кормового давления, направленных в сторону движения; - создание условий для образования попутного потока на большей части подводной поверхности корпуса за миделевым сечением; - образование в попутном потоке сил трения, направленных в сторону движения и способствующих ему; - значительное снижение или полная ликвидация волнообразования за счет разрежения перед носовой частью и попутного потока вдоль корпуса, что снимет принципиальное ограничение скорости движения, обусловленное волновым сопротивлением; Правильность исходных предпосылок и работоспособность идеи были проверены на маломерных моделях с гребными винтами. Конструктивно движители располагались в носовой части корпуса под острым углом к диаметральной плоскости судна. Изменена также была и традиционная форма корпуса. В результате этого был получен комплекс следующих эффектов: 1. Перед носовой частью судна создается прогиб водной поверхности и зона пониженного давления, что приводит к появлению сил кормового давления, направленных в сторону движения. 2. Упорные струи от винтов не прижимаются к корпусу и за ними образуется попутный поток. За счет эжекции в упорные струи попутный поток приобретает скорость большую, чем скорость судна. Это приводит к появлению сил трения, но направленных уже в сторону движения и способствующих ему. 3. Забор воды в носовой части и попутный поток вдоль корпуса в направлении движения ликвидируют волнообразование и судно движется в спокойной воде. При этом снимается принципиальное ограничение скорости, обусловленное волновым сопротивлением. 4. Судно приобретает высокую курсовую устойчивость и высокую маневренность, при этом развороты можно производить практически на месте. 5. При неработающих движителях в условиях внешнего волнения судно разворачивается носом к волнам и движется навстречу им, что способствует повышению его живучести и непотопляемости. Таким образом, в данном техническом решении движители, создаваемые ими упорные струи и корпус судна взаимодействуют как единое целое, значительно ослабляя силы сопротивления движению или же вообще меняя их направление и помогая движению. В этом случае уже можно говорить о едином комплексе движитель - корпус судна, в отличие от судов традиционного типа, где движителю приходится преодолевать силы сопротивления, создаваемые им самим и корпусом судна. Но специалисты очень осторожно относятся к испытаниям маломерных моделей, результаты которых не всегда могут быть пересчитаны на реальные корпуса. Поэтому первый этап работ по данному проекту наиболее целесообразно (для сокращения временных и денежных затрат) начать не с теоретических обоснований и модельных испытаний, а создать экспериментальный образец на основе маломерного катера, который должен подтвердить наличие всех описанных эффектов в реальных условиях и существенное улучшение ходовых характеристик натурного судна. Вероятность этого весьма высока, т.к. предлагаемое техническое решение основывается на реально существующих и работающих в природных условиях физических эффектах, которые повторены техническими средствами. 4 Рис.1. Образование вихревых потоков за плохо обтекаемыми телами и их регулирование с помощью «вихревых ячеек» Рис.2 Образование вихревых потоков в нишах и вырезах корпуса Рис.3. Образование вихревых потоков в естественных условиях на реках за изгибами и резкими выступами Назначение и области применения. Описанные технические решения могут быть использованы при проектировании и построении водоизмещающих судов практически всех существующих типов, а недостижимые ранее технические характеристики позволят создавать суда нового назначения. При этом грузы и пассажиры будут доставляться значительно быстрее, с меньшими энергозатратами, с большим комфортом и безопасностью. Особо следует обратить внимание на то обстоятельство, что хотя в предлагаемом техническом решении описывается фактически конкретная конструкция судна, на самом деле оно является новым способом сообщения движения надводным судам, на основе которого могут быть разработаны конкретные конструкции самого различного назначения и областей применения. Конкурентные преимущества. Создать подобные физические эффекты на корпусе судна и получить за счет их резкое улучшение ходовых характеристик судов пока не может ни одна судостроительная фирма ни одной страны мира. Сравнение характеристик судов известных конструкций с размещением движителей в кормовой и носовой частях и судов по предлагаемому техническому решению приведено в таблице. 5 СРАВНЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАДВОДНЫХ СУДОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Характеристики 1. Размещение движителей под углом к ДП 2. Размещение движителей под углом к ОП 3. Расположение миделевого сечения 4. Выход упорных струй Движители в кормовой части Нет Нет + + Нет + Обычно в средней части корпуса За кормой 5. Прогиб водной поверхности перед носовой часть 6. Лобовое давление Большое 7. Кормовое давление 8. Волновое сопротивление Нет Большое 9. Сопротивление трения набегающего потока 10. Попутный поток и силы трения в направлении движения 11. Дифферент и силы скатывания на корму 12. Дифферент и силы скатывания на носовую часть 13. Влияние внешнего волнения 14. Курсовая устойчивость 15. Маневренность 16. Устойчивость в дрейфе при волнении 17. Форма корпуса подводной части 18. Осадка 19. Палубные надстройки Большое 20. Сопротивление воздуха 21. Скорость движения 22. Цена Движители в носовой части Известные Предлагаемое конструкции техническое решение Нет Идут вдоль всего корпуса Незначительный Незначительно уменьшается Нет Незначительно уменьшается Возрастает на всей подводной части Смещено в носовую часть в район расположения движителей Выходят в носовой части без касания корпуса Существенный Нет Нет Есть Нет Значительно уменьшается Есть Практически ликвидируется Только на носовой части (10-20% поверхности) На всей подводной части корпуса за миделевым сечением (80-90% поверхности) Нет Нет Нет Есть Существенно ухудшает мореходные характеристики Плохая Хорошая Плохая Хорошая Плохая Плохая Значительно ослабляется Отличная Отличная Отличная Обычно узкая и длинная Принципиальных ограничений нет Малая и средняя Меньшая высота и лучшее размещение на значитель-но больших площадях Значительно меньше за счет лучшей аэродинамики надводной части корпуса Большая Многоярусные из-за малой площади судна в плане Велико из-за плохой аэродинамики надводной части корпуса Несколько десятков км/час В 1,5-3 раза выше, чем у традиционных судов аналогичного класса и назначения Трудоемкость изготовления судов предлагаемой конструкции ниже, чем у судов традиционной конструкции 6 Суда по предлагаемому техническому решению будут обладать и такими конкурентными преимуществами как: 1. Упрощение обводов подводной части корпуса, повышение технологичности и снижение трудоемкости его изготовления. 2. Существенное увеличение внутренних объемов корпуса, расширение возможностей компоновки судов, возможность применения дополнительных мер безопасности. 3. Полнота носовых обводов заметно не ухудшит мореходных качеств судна, что позволит строить скоростные крупнотоннажные суда и суда новой конструкции и назначения. 4. Существенное снижение сил сопротивления движению приведет к соответствующему уменьшению энергозатрат и расходу топлива. 5. Существенное улучшение управляемости и маневренности судов, повышение безопасности плавания. 6. Обрастание корпуса не повлияет на ходовые качества судна, что позволит существенно снизить эксплуатационные расходы. 7. Повышение скорости движения в несколько раз должно существенно повысить роль водного транспорта в мировой транспортной системе, к удешевлению и существенному росту перевозок водным транспортом. Был проведен предварительный информационно-патентный поиск по предлагаемому техническому решению. Глубина поиска: тридцатые годы – девяностые годы 20 века. Страны: СССР (Россия), США, Англия, Германия, Франция, Япония. Описания физических эффектов, присущих предлагаемому техническому решению, не обнаружено ни у одной конструкции судов традиционного типа и судов с расположением движителей на носовой части. Наиболее близкими по конструктивным признакам (но не по достигаемому эффекту) можно считать следующие конструкции судов: 1. Патент Великобритании № 389167 кл. В63Н 11/08 (1930г) 2. Патент Японии №60-18494 кл. В63Н 5/06 (1985г) 3. Патент Франции № 461376 кл. В65F 33/00 (1913г) 4. Авт.св. СССР № 450738 кл. В63В 35/08 (1974г) В заключение следует обратить внимание на еще одно важное преимущество судов по настоящему техническому решению. У них существенно улучшаются практически все характеристики, в то время как у судов традиционной конструкции улучшения одних характеристик приходится добиваться компромиссным ухудшением других характеристик. Рынок сбыта. Хороший анализ рынка мирового судостроения дан в книге С.И.Логачев, В.В.Чугунов. Мировое судостроение. Современное состояние и перспективы развития. С-Петербург, Судостроение. 2000г. Краткий вывод из приведенных там аналитических материалов – во всем мире заметно возрастает интерес к водным видам транспорта, особенно к скоростным грузо-пассажирским судам. И емкость этого рынка будет постоянно возрастать. Оценки ведущих ученых в области судостроения, сделанные в этой книге на основе глубокого анализа огромного материала о реальном состоянии и перспективах развития судостроения в ведущих странах мира, показывают высокую актуальность и значимость предлагаемого проекта. Данное техническое решение может быть использовано при проектировании и построении скоростных водоизмещающих судов практически всех существующих типов, а недостижимые ранее технические характеристики позволят создавать суда нового назначения. Описанные выше преимущества судов по предлагаемому техническому решению позволят утверждать, что этим решением в достаточно короткие сроки заинтересуются и станут применять все ведущие судостроительные фирмы мира для проектирования и постройки широкого класса скоростных и высокоэкономичных судов различного назначения - от маломерных катеров до гигантских грузовых судов и танкеров. 7 Эта уверенность основывается на том, что предлагаемое техническое решение базируется на реально существующих в природе и частично описанных в научно-технической литературе физических эффектах, которые комплексно и целенаправленно предлагается повторить техническими средствами. В денежном же выражении емкость рынка для данного технического решения на основе прогнозов из указанной выше книги можно оценить многими миллиардами долларов. Пути реализации проекта. Учитывая, что предлагаемое техническое решение весьма серьезно затрагивает устои традиционного судостроения и гидромеханики, его реализация в обычном порядке потребует огромных интеллектуальных, материальных и временных затрат. Поэтому более целесообразно построить по рекомендациям авторов экспериментальный образец маломерного катера и провести его ходовые испытания. Результаты испытаний экспериментального образца должны подтвердить правильность идей, заложенных в предлагаемое техническое решение. После подтверждения его работоспособности можно с большой уверенностью говорить о том, что многие судостроительные фирмы мира несомненно проявят интерес и примут непосредственное участие в теоретических разработках и практическом освоении этого технически и экономически перспективного направления судостроения. И тогда потребуется организовать дальнейшие работы по проекту традиционным путем - НИР, ОКР, опытные образцы, модельные, натурные и ходовые испытания и т.д. На этапе НИОКР потребуется боле полно исследовать физическую сущность и условия возникновения описанных физических эффектов, исследовать влияние элементов корпуса на их возникновение и оптимизировать форму корпуса, исследовать суда с различными движителями. Потребуется также разработка соответствующих математических моделей и компьютерных программ моделирования судов нового типа различного назначения. Кроме того, после положительных результатов испытаний экспериментального образца, предстоит большой объем патентования новых технических решений (корпуса судов различного назначения и сами суда, элементы корпусов и приспособления для повышения эффективности попутного потока, элементы управления судном, применение и размещение движителей различного типа и др.) 8
