Рис. 1. Основные параметры, характеризующие глиссирующий катер.
Длина смоченной поверхности корпуса глиссирующего катера является величиной переменной в отличие от длины судна, идущего в водоизмещающем режиме. С другой стороны, существует взаимосвязь между массой катера D, гидродинамической подъемной силой Y, силой сопротивления R и скоростью v. Поэтому относительная скорость глиссеров характеризуется числом Фруда, в котором вместо длины по ватерлинии используется величина «корень кубический из V», где V, м 3 — объемное водоизмещение катера на стоянке, в пресной.воде численно равное его массе (в тоннах):
Режим чистого глиссирования характеризуется числом FrD < 3, переходный режим — FrD = 1—3.
Помимо числа Фруда глиссирующие суда принято характеризовать величиной гидродинамического качества
K=V/R ;
в режиме чистого глиссирования,когда масса катера полностью воспринимается подъемной силой,
K=D/R .
В расчетах часто используется обратная величина — коэффициент глиссирования
Минимальная скорость глиссирования на РИБ ФОРТИС 460Z и Yamaha 40 VEOS
ε=R/D .
Чем ниже этот коэффициент, тем меньшая мощность двигателя требуется для того, чтобы вывести на глиссирование судно данной массы. Для большинства малых катеров и мотолодок ε = 0,18—0,25.
Основные параметры, влияющие на глиссирование, следующие:
C∆ = D/B 3 — удельная нагрузка на днище в состоянии покоя; В — ширина глиссирующей поверхности днища, и; D — масса судна, т.
CB = 2D/ρB 2 ν 2 — коэффициент динамической нагрузки или удельная нагрузка при глиссировании. У прогулочных мотолодок с днищем малой килеватости коэффициент CB обычно равен 0,03—0,08, но оптимальные его значения (0,10—0,15), соответствующие максимуму К, могут быть достигнуты на легких гоночных судах, обладающих высокой скоростью и сравнительно небольшой шириной днища.
β — угол килеватости днища, измеряемый между поверхностью днища и основной плоскостью катера (рис. 1). В кормовой части корпуса пределы изменения килеватости Р = 0—23°.
ψ — угол ходового дифферента. Зависит от расположения центра тяжести, угла килеватости и удлинения глиссирующего участка днища λ = L/B. Оптимальный дифферент для широкого и плоского днища ψ = 2—4°, для узкого и килеватого ψ = 4—6°.
xg — расстояние от центра тяжести до кормового обреза днища, м.
m∆ — относительная центровка катера.
Lсм— смоченная длина корпуса при глиссировании, м.
Bсм— ширина смоченного участка днища, м.
Lсм и Bсм являются параметрами, определяющими как сопротивление трения глиссирующего катера, так и устойчивость его движения в продольной и поперечной плоскостях.
>
Источник: www.inter-marine.ru
Глиссирование
При глиссировании, которое характеризуется относительной скоростью V = (12ч20) vL км/ч, судно располагается над поверхностью воды, касаясь ее только небольшим участком днища. Оно поддерживается в этом положении благодаря гидродинамическому давлению, возникающему как реакция отбрасываемых вниз масс воды и действующему на смоченный участок днища. Схема действия основных сил на днище глиссирующего катера показана на рис. 18.
Глиссирование под Yamaha-2 и «лодка Махоткина»
Рис. 18. Схема действия гидродинамического давления на глиссирующую пластину (а) и силы на днище глиссирующего катера (б): 1 — поверхность воды; 2 — пластина; 3 — брызговая струя, отбрасываемая по ходу; 4 — эпюра гидродинамического давления; 5 — точка C, в которой скорость потока равна 0, а давление имеет максимальную величину p = ЅсvІ; 6 — волновая впадина; 7 — волновые стенки-валики впадины
Вода, ударяясь о днище (для наглядности оно заменено плоской пластиной), разделяется на два потока. Основной поток перемещается к кормовому срезу днища, другой — в виде тонкой брызговой пелены выбрасывается вперед. В точке C, где струи воды ударяют о поверхность днища и поток раздваивается, вся энергия набегающего потока превращается в гидродинамическое давление p, пропорциональное квадрату скорости катера и массовой плотности воды с, т. е.
p = 1/2 с · vІ кг/мІ.
В точке C давление максимальное, затем оно постепенно уменьшается и на кормовом крае пластины становится равным атмосферному. Соответственно изменяется и скорость потока, обтекающего днище: в точке C она равна 0, а у кормового края — максимальная. Распределение давления вдоль днища зависит от угла атаки днища, а к набегающему потоку и от продольного профиля днища. При увеличении угла атаки точка приложения равнодействующей сил давления смещается ближе к транцу также, как и при вогнутом продольном профиле днища. И наоборот: даже небольшая выпуклость днища в корме вызывает существенное падение давления.
В поперечном направлении гидродинамическое давление изменяется мало, резко падая на боковых кромках — скулах днища — до атмосферного. Это вызывает образование поперечного потока воды, который вырывается из-под скул в виде характерных «усов». Наибольшей интенсивности «усы» достигают в месте действия повышенных давлений — на границе поверхности воды и днища катера.
За кормой глиссирующего катера появляется волновая впадина, имеющая по бокам хорошо заметные стенки-валики, которые смыкаются далеко за транцем. В этом месте образуется характерный подъем воды в виде «петуха», за которым идет группа расходящихся и поперечных волн. При достаточно высокой скорости волновая система, создаваемая катером, становится незаметной и волновое сопротивление близко к нулю. Сопротивление воды складывается в основном из сопротивления трения и сопротивления брызгообразования — давления.
Результирующую действующего на днище гидродинамического давления A принято рассматривать как векторную сумму двух слагаемых — подъемной силы Y, воспринимающей массу катера, и силы сопротивления R (см. рис. 18).
Эффект глиссирования оценивается величиной гидродинамического качества:
k = D/R,
или же обратной величиной — коэффициентом глиссирования:
е = R/D,
(здесь D — водоизмещение судна, R — сила сопротивления движению). Чем ниже коэффициент глиссирования, тем меньшая мощность требуется для того, чтобы вывести на глиссирование судно данной массы. Для большинства малых катеров и мотолодок е = 0,18ч0,25.
Таким образом, нижний предел скорости для выхода судна на режим глиссирования зависит от полной массы судна, включая пассажиров, оборудование, запас горючего и мотор. Ориентировочно его можно определить по формуле:
V = 34 6 vD км/ч.
Например, при D = 0,5 т V = 34 6 v0,5 = 34 · 0,9 = 30,6 км/ч.
Естественно, чтобы развить такую скорость, на лодке нужно установить двигатель соответствующей мощности. Для приблизительной оценки можно условиться, что лодка выйдет на глиссирование только в случае, если на каждый кВт располагаемой мощности двигателя будет приходиться не более 34 кг полной массы судна.
Помимо массы, на величину сопротивления движению глиссирующего судна существенное влияние оказывают угол атаки и зависящая от него длина, а также ширина смоченного участка днища и отстояние центра тяжести от транца катера.
На рис. 18, б представлена упрощенная схема сил и моментов, действующих на глиссирующее судно на ходу. Равновесие определяется величиной и взаимным расположением четырех основных сил: массы судна D, силы поддержания Y, тяги гребного винта T, сопротивления воды движению судна R. Силы D и Y создают момент MYD, дифферентующий судно на нос. Этот момент при установившемся движении уравновешивается равным по величине и противоположным по направлению моментом MTR сил T и R.
При глиссировании Y состоит практически полностью из гидродинамической подъемной силы, которая зависит от площади и формы глиссирующей поверхности днища, угла атаки (дифферента) и скорости судна. По условию равновесия Y должна быть равна D, поэтому с повышением скорости должны соответственно уменьшаться либо площадь глиссирующего участка днища, либо угол атаки, либо и то и другое одновременно.
Для достижения наибольших скоростей целесообразно уменьшить смоченную поверхность, так как это позволяет снизить сопротивление трения. Однако поскольку ширина днища остается постоянной, то вследствие укорочения длины глиссирующего участка точка приложения Y смещается в корму; тем самым нарушается равновесие системы сил и моментов. Под действием D нос судна опускается, и длина смоченной поверхности вновь увеличивается, сопротивление воды также повышается. В результате судно не достигает скорости, которую оно могло бы развить.
Еще более отрицательное влияние на сопротивление воды движению глиссирующего катера оказывает излишний дифферент — чрезмерно большой угол атаки, с увеличением которого повышается сопротивление давления. Опыт показывает, что за счет снижения угла дифферента скорость катера можно повысить на 15 и даже 20 %!
Очевидно, существует оптимальный угол атаки, при котором сумма сопротивления трения и давления оказывается минимальной (рис. 19). Обычно ходовой дифферент изменяется в довольно широких пределах в зависимости от скорости судна, т. е. частоты вращения гребного вала.
Удачные глиссирующие катера получают максимальный дифферент (не более 8°) при частоте вращения около 40 % номинальной; затем дифферент уменьшается до оптимального значения (3-4°) при номинальных оборотах. Относительно широкие катера могут иметь чрезмерный дифферент на всем диапазоне частоты вращения двигателя, максимум которого (до 14°) достигается в области более высоких оборотов. Катера с избыточной мощностью двигателя при частоте вращения двигателя от 80 % номинальной и выше идут с малым углом дифферента — до 2°, что обуславливает некоторое снижение скорости при увеличении числа оборотов.
Рис. 19. Угол атаки и сопротивление воды движению глиссирующего катера
На практике глиссирующие катера идут с оптимальным дифферентом далеко не на всем диапазоне скоростей. Излишний дифферент наблюдается обычно в районе «горба» на кривой сопротивления, что соответствует выходу катера на глиссирование. На полном ходу, наоборот, дифферент часто оказывается меньше оптимального.
В зависимости от соотношения смоченной длины, ширины и килеватости днища оптимальный угол атаки колеблется в пределах от 2 до 7°. Чем шире и короче глиссирующий участок днища и меньше его килеватость, тем меньше оптимальный угол атаки. В среднем величина угла атаки составляет:
- — для реданных и трехточечных высокоскоростных глиссеров и катамаранов — 2,5ч3°;
- — для катеров с умеренной килеватостью днища (до 15°) — 3ч4°;
- — для катамаранов без поперечных реданов и катеров с обводами «глубокое V» — 5ч7°.
При проектировании катера в расчет берется одна определенная скорость, поэтому судно целесообразно снабжать различного рода устройствами для регулирования ходового дифферента: транцевыми плитами, дифферентовочными цистернами, устройствами для регулирования угла наклона гребного вала. Последние являются составной частью конструкции подвесных моторов и угловых поворотно-откидных колонок.
На рис. 20 приведена характерная кривая сопротивления глиссирующего катера в зависимости от относительной скорости — числа Фруда по водоизмещению
где D — водоизмещение, мі. В этом выражении переход от линейного размера к объемному (весовому) отражает физическую сущность явлений, происходящих при глиссировании: длина по ватерлинии становится переменной величиной, зависящей от угла дифферента и скорости.
На кривой (см. рис. 20) выделяется область скоростей, в которой происходит переход водоизмещающего плавания в режим глиссирования. Эта область отличается резким увеличением гидродинамической подъемной силы и снижением роли статической силы поддержании судна на воде.
В пределах переходного режима движения отмечается и максимум сопротивления воды — так называемый «горб», с повышением скорости сопротивление начинает снижаться. Следовательно, глиссирующий катер для достижения скорости за «горбом» сопротивления должен обладать достаточным запасом мощности двигателя, чтобы преодолеть «горб» на меньшей скорости. После выхода на глиссирование дроссельная заслонка карбюратора может быть слегка прикрыта — для движения с более высокой скоростью; в области минимального сопротивления требуется уже меньшая мощность двигателя.
Рис. 20. Характерная кривая сопротивления глиссирующего катера, режимы движения и рекомендуемые обводы корпуса: I — режим водоизмещающего плавания (круглоскулые обводы); II — переходный режим (круглоскулые обводы с плоским участком днища в корме, или остроскулый корпус); III — режим глиссирования (остроскулые обводы с умеренной килеватостью днища в корме; IV — режим глиссирования (остроскулые килеватые обводы; при FrD > 5 — «глубокое V» в сочетании с продольными реданами); A — «горб» сопротивления
На рис. 21 приведены кривые для определения достижимой скорости чисто глиссирующих мотолодок и катеров с остроскулыми обводами и транцевой кормой длиной от 3,5 до 6 м. Кривые построены на основе испытаний большого числа мотолодок с подвесными моторами, но метод пригоден и для катеров, снабженных стационарной установкой с гребным винтом и рулем.
Рис. 21. График для предварительной оценки скорости глиссирующих мотолодок при заданной мощности подвесного мотора N, л. с., полной массе судна D, кг и ширине глиссирующего участка днища B, см
График позволяет учесть удельную нагрузку судна как относительно мощности двигателя N (D/N), так и ширины глиссирующего участка днища B (D/B). Под нагрузкой имеется в виду полная масса судна с мотором, пассажирами и запасом горючего, а под шириной B — ширина корпуса по скуле либо расстояние между кромками продольных реданов, на которых предполагается глиссирование судна при данной нагрузке. В предварительных расчетах полезно уменьшить паспортную мощность подвесного мотора на 10-15 % — именно такова средняя эксплуатационная мощность большинства моторов. При использовании этого метода следует учитывать, что полную отдачу мощности двигателя можно получить лишь в том случае, если применить оптимальный гребной винт для данной нагрузки и скорости лодки.
Другой важный фактор, влияющий на точность расчета, — это оптимальная центровка судна для данной скорости, так как от центровки зависят ходовой дифферент и смоченная поверхность днища. Даже если с мотором и гребным винтом все в порядке, неправильное положение центра тяжести по длине может оказаться причиной снижения скорости на 50-70 % получаемой по данному методу.
Источник: studwood.net