В теории подобия винтов показано, что для геометрически подобных винтов кривые действия (при правильном моделировании) не изменяются.

Типичная «корпусная» диаграмма серийных модельных испытаний

- используется при выборе винтов оптимального диаметра.

[м/с], [об/с], [т/м³], [кН], [м].

- позволяет найти .

В обоих случаях .

Существует также машинная диаграмма.

В аналогичных машинных диаграммах или используются коэффициенты:

- отсюда находим ,

- отсюда находим .

[м/с], [об/с], [кг/м³], [кВт], [м].

Взаимодействие движителя с корпусом

С одной стороны, винт не влияет на работу корпуса. Это обстоятельство учитывается с помощью коэффициента попутного потока:

где - скорость судна.

Существуют эмпирические формулы для :

- зависит от расположения винтов в корпусе, следовательно, от числа винтов (- винт в ДП, - винты по обе стороны от ДП).

Эта формула учитывает соотношение размеров винта и корпуса, влияние коэффициента общей полноты и количества винтов.

Коэффициент засасывания:

Винт, работая за кормовой оконечностью, ускоряет обтекание кормовой оконечности.

В результате работы винта появляется сила засасывания:

- число винтов.

В предварительных расчётах .

В конечном результате, нам нужно знать упор:

- полезная тяга винтов.

Пропульсивный КПД для винта за корпусом:

- коэффициент неровности потока ().

- за счёт удачного выбора размещения винта за корпусом удаётся

увеличить КПД на %.

Общая методология проектировочного расчёта гребного винта (для не буксирного судна)

1) На стадии выбора СЭУ.

Должны быть известны , , , , кривая буксировочного сопротивления , - число винтов, , , , , диаграмма винтов – прототипов .

Ход расчёта: - по прототипу.

Находим , - по эмпирическим формулам.

Вычисляем скорость в диске винта

Упор винта

Таблица:

(об/с) - задаёмся		…………
		………….
		…………
		…………
		………….
- потребная мощность.

По итогам расчётов строится график:

- каталог дизелей.

2) Известны , , , , , - число винтов, , , - по СЭУ.

Ход расчёта:

Уточняют и по новым значениям .

Затем оценивают дисковое отношение:

- из условия обеспечения прочности,

- из условия отсутствия кавитации.

и , поскольку увеличение вызывает уменьшение КПД винта.

Выбирают - число лопастей.

Как правило, ограничиваются четырёхлопастными винтами.

Выбирают диаграмму .

Таблица:

Расчётная формула	Расчётное значение
1. (м/с) - задаёмся
2.
3.
4.		Расчёт повторяют
5. - по диаграмме		- после выбора мощности
6. - по диаграмме
7. - по диаграмме
8.		- после выбора мощности
9.
Уточняют скорость , если

Если , то расчёт заканчивают.

, , - окончательные параметры расчётного винта, обеспечивающие достижение заданной скорости хода.

Расчёт ходовой характеристики (паспортная диаграмма)

Она позволяет увязать воедино все параметры работы судового комплекса: корпус – винт – двигатель.

I – корпус,

II – то, что могут дать винты, если их вращать с указанными частотами (),

III – то, что могут выдать двигатели без перегрузки.

Любой двигатель имеет ограничительную характеристику:

n≤n₀

Задачи, решаемые с помощью ходовых характеристик:

Ограничение судна при выходе на мелководье:

Судно с недогрузом:

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СУДОВ И ОБЪЕКТОВ

Изменение сопротивления движению судов в условиях волнения

Здесь происходят следующие изменения:

1) изменение обтекания корпуса и картины волнообразования вокруг судна;

2) изменение площади смоченной поверхности (в следствие заливаемости);

3) появление ветровых течений во время шторма;

4) возникновение дрейфа судна;

5) изменение условий работы движителя.

К сопротивлению корпуса на тихой воде в условиях волнения добавляется дополнительная составляющая:

- обусловлено качкой судна на тихой воде и возникающей при этом волновой системой.

- обусловлено набеганием волн на корпус как на неподвижную преграду с последующей интерференцией набегающих и отражённых волн.

- обусловлено взаимодействием собственной корабельной системы волн с набегающим внешним волнением.

Удельное дополнительное сопротивление:

- длина волны,

- высота волны,

- курсовой угол,

- водоизмещение.

I. - встречное волнение:

Одним из способов снижения является движение вразрез волне.

Падение скорости хода на встречном волнении:

II. - попутное волнение:

а)

- волны подгоняют корабль. Общее сопротивление падает.

б)

сильно возрастает.

в)

«Захват» судна волной. Судно «взбирается» на гребень.

В случае в) требуется большой запас прочности СЭУ, чтобы обогнать волну.

Эмпирическая формула оценки дополнительного сопротивления:

Для морских транспортных судов:

- угол входа носовой ватерлинии:

При резонансной качке ():

Для речных транспортных судов:

- для водохранилищ (волна достаточно крутая).

Для теплохода «Калининград» при м, км/ч, , , .

Оценка особенностей сопротивления буксируемых и толкаемых составов

Экспериментально и теоретически доказано, что соединение нескольких корпусов барж в кильватерный буксируемый состав приводит к существенному снижению их общего сопротивления.

Коэффициент счала:

- суммарное сопротивление.

Причины снижения сопротивления:

1) пограничный слой около состава формируется, как вокруг корпуса судна с длиной, равной длине состава: , следовательно,

2) вихреобразование смещается в сторону кормы баржи, поэтому сопротивление формы передней баржи существенно снижается. Этот эффект существенно зависит от расстояния между корпусами (сближение корпусов уменьшает сопротивление).

3) между корпусами возникает сила «расталкивания» в следствие неравномерности распределения сопротивления.

если .

Недостатки:

1) высокая рыскливость: появление угла дрейфа сильно увеличивает сопротивление.

При сопротивление состава возрастает вдвое.

Для борьбы с рыскливостью применяют пыжевые составы – счаливание лагом (боком):

2) вредное влияние струи движителей буксира. Основной путь борьбы – увеличение длины буксирного троса .

При сопротивление возрастает на 20%.

Таблица коэффициентов счала :

Схема и формула состава	Тип барж
Клин	Сани
(1+1)	0.80	0.81
(1+1+1)	0.70	0.76
(2)	1.13	0.85
(2+1)	0.84	0.80
(1+2)	0.70	0.76
(3)	1.16	0.81

Закономерности :

1) практически не зависит от и (при реальных скоростях буксировки);

2) уменьшается по мере уменьшения зазоров между баржами.

Окончательный выбор формы состава и типа корпуса барж следует вести также с учётом минимального удельного сопротивления:

и требования обеспечения условий эксплуатации (уменьшения рыскливости).

Особенности сопротивления толкаемых составов:

1) отсутствие неблагоприятного влияния струи движителей впередиидущего буксира;

2) улучшение условий обтекания состава «баржа - толкач».

Маленький корпус толкача способствует снижению общего сопротивления формы, уменьшает вихреобразование;

3) улучшается управляемость и устойчивость на курсе. на 5÷15% больше (при прочих равных условиях).

- суммарное сопротивление изолированных корпусов барж;

- сопротивление изолированного корпуса толкача.

Таблица коэффициентов счала для толкаемых составов:

Схема и формула состава
1+T	0.85÷0.89
1+1+T	0.75÷0.79
2+T	0.84÷0.92

Особенности сопротивления секционных составов

Секции (модули) – короткие баржи, счаливаемые с минимальным зазором и позволяющие организовать перевозку грузов наподобие железнодорожного транспорта.

Методика расчёта сопротивления секционного состава на конкретном примере:

м;

м.

м – длина подреза транца;

м – длина стыка.

Геометрические параметры:

м³;

м²;

м;

- средняя осадка,

м;

, ;

;

м/с (14.4 км/ч).

Полное сопротивление секционного состава:

- вязкостное сопротивление состава:

; .

; , .

кН,

- учитывает влияние корпуса (геометрическое):

;

- учитывает разницу осадок:

- средняя разница осадок, .

, кН.

- волновое сопротивление:

кН.

- полное сопротивление стыков:

м²,

м (с учётом ).

(формула Прандтля - Шлихтинга).

кН.

;

кН,

кН.

- сопротивление подреза транцев:

; м³;

кН.

(86.3%)(0.4%)(10%)(3.3%)

При расчёте составляющих сопротивления особое внимание обращают на вязкостное сопротивление корпуса и стыков.

Особенности сопротивления катамаранных судов

Преимущества таких судов:

1) здесь удаётся увеличить до величины 15÷19 и более. В результате удаётся существенно снизить волновое сопротивление корпусов.

У обычных однокорпусных судов по условиям остойчивости и прочности корпуса.

Влияние на :

2) катамараны обладают большой остойчивостью, большой рабочей площадью палубы, следовательно, удобство грузоперевозок.

Недостатки:

1) при равной грузоподъёмности катамараны обладают большей площадью смоченной поверхности и большим водоизмещением;

2) увеличивается скорость жидкости в межкорпусном пространстве, следовательно, рост сопротивления;

3) сложность конструкции соединительного моста и обеспечение его прочности.

С позиции гидромеханики катамараны дают выигрыш в сопротивлении при .

При сопротивление одинаково у однокорпусного судна и катамарана.

«Катамаранный эффект»:

- сопротивление катамарана;

- сопротивление двух бесконечно удалённых таких же корпусов .

Благоприятная интерференция корабельных волн.

Коэффициент остаточного сопротивления катамарана:

- коэффициенты полной вязкости, эквивалентной пластины и волнового сопротивления соответственно для отдельного изолированного корпуса (одного);

- коэффициент, учитывающий сложение сопротивлений формы.

- относительная длина,

- коэффициент, учитывающий сложение волнового сопротивления.

Катамаранные суда с малой площадью ВЛ:

Этот принцип позволяет получить очень узкие длинные КВЛ, следовательно, снижается волновое сопротивление.

Тримараны – трёхкорпусные суда:

Яхта «Play Station»Ж

Среднесуточная скорость: 580 миль/сутки≈45 км/ч.

Сопротивление объектов океанотехники

В огромном разнообразии этих объектов можно выделить:

1) суда технического обслуживания:

Например, судно типа «Трансшельеф»:

Эти суда позволяют рассчитывать сопротивление обычными методами теории корабля, хотя корпуса их очень специфичны;

2) различные плавучие буровые платформы, представляющие один единый объект.

Например, блок платформы типа «Кондин»:

Большая часть сопротивления таких объектов относится к сопротивлению формы.

- боковая сила, изменяющаяся по гармоническому закону.

вызывает очень сильное рысканье таких объектов.

Аналогичная схема буксировки используется для СПБУ,ППБУ, крупных плавучих кранов и т.д.

Все мощности назначаются с двух- трёхкратным запасом на случай штормовых условий.

3) объекты решётчатого типа, состоящие из большого числа стержней, раскосов и т.п.:

Это опорный блок стационарной буровой платформы.

Коэффициент сопротивления таких решётчатых конструкций определяется по формуле:

- общий коэффициент сопротивления,

- коэффициент сопротивления отдельного стержня решётки,

- его площадь,

- характерная площадь всего блока,

- учитывает взаимное расположение стержней, их гидродинамические затенения, частоту стержней решётки и т.д.

Такие объекты обладают меньшим рысканьем.

Для решения задачи управляемости во время движения находят коэффициенты сопротивления: момента силы сопротивления:

- координата центра давления формы.

Сопротивление эластичных ёмкостей

Используются для транспортировки нефтепродуктов и т.п. методом буксировки:

- коэффициент заполнения:

В предварительных расчётах .

Специфика движения: сильное рысканье и заныривание.

до 150м³; до 40м; м/с.

Расчётная методика:

- полный коэффициент сопротивления:

; - число Фрудо по водоизмещению,

- учитывает влияние ;

- учитывает влияние .

Сопротивление подводных лодок

Движение в подводном положении:

Упрощённая оценка ходовых качеств – через адмиралтейский коэффициент:

, (*)

[узл]; [м³]; [лош. сил] (1 л.с.=0.736 кВт, 1 кВт=1.359 л.с.).

Дизельная ПЛ ;

Первые АПЛ ;

Новейшие АПЛ .

, (**)

- Пропульсивный коэффициент,

- коэффициент смоченной поверхности,

- коэффициент полного сопротивления.

(*)+(**)→;

- энерговооружённость.

Тип ПЛ	[л. с./м³]
Дизельные	2÷3
Первые атомные	4÷5
Новейшие атомные	8÷10

Уточнённый расчёт:

Образуются внутренние волны.

Винт, попадая на раздел сред, тратит свою энергию на образование внутренних волн.

- коэффициент сопротивления трению.

от полного .

Формула Шенхерра:

Формула Прандтля – Шлихтинга:

Рекомендованная конференцией 1957 года формула:

от .

У дизельных АПЛ первого поколения надбавка на шероховатость:

У современных АПЛ с противогидроизолтрующим покрытием:

- надбавка на выступающие части.

Количество выступающих частей и ниш в корпусе сводится к минимуму. Все необходимые выступающие части (кнехты, киповые планки и т.д.) стремятся делать убирающимися внутрь корпуса и закрывающимися закрышками. Если это не удаётся, то нишу ориентируют поперёк потока:

Удаётся уменьшить вихреобразование, следовательно, уменьшается собственный коэффициент сопротивления.

Часто носовые рули делают убирающимися (чтобы не влияли на общее сопротивление). Если не удаётся, то их ориентируют по нормали к наружной обшивке:

Тип выступающей части
1. Носовые горизонтальные рули	(0.05÷0.2)·10^-3
2. Рубочные горизонтальные рули	0.08·10^-3
3. Ограждения выдвижных устройств	(0.27÷0.55)·10^-3
4. Кормовое оперение (перед винтом)	(0.22÷0.43)·10^-3

При движении на перископной глубине и в районе свободной поверхности возникает волновое сопротивление, для уменьшения которого ограждения рубки и других выдвижных устройств имеют заострённые обтекатели.

Общий коэффициент сопротивления:

Вид ПЛ
Торпедные ПЛ:
одновальные	(3.0÷3.2)·10^-3
двухвальные	(3.2÷3.5)·10^-3
Современные АПЛ	(2.4÷2.8)·10^-3

Пути снижения сопротивления для ПЛ:

1) создание кавитационной каверны вокруг корпуса:

- гидростатическое давление.

При глубине м

узл.

Используются различные приёмы, например, за счёт подачи сжатого воздуха: часть корпуса движется в более плотной среде, → .

Но появляются сложности с управлением. Тогда рули «выносят» за область каверны.

В надводном положении сопротивление резко возрастает за счёт волнообразования (при узл. ≈ в 2.5 раза).

Движительный комплекс ПЛ

Пропульсивный коэффициент:

- КПД изолированного винта.

Для ПЛ характерны винты с низкими частотами вращения и большими диаметрами.

Тип лодки	(об/мин)
Одновальные старые	280÷320
Одновальные современные	100÷120
Двухвальные современные	150÷160

КПД идеального движителя:

Тип лодки
Одновальные АПЛ	0.46÷0.5
Двухвальные	≈0.3

- диаметр винта,

- диаметр корпуса.

Как пример, винты радиально – переменного шага с сильной С – образностью контура лопасти, числом лопастей 5 или 7.

КПД корпуса:

- угол притыкания кормовой ветви ВЛ.

Кормовые рули выступают в роли стабилизаторов, выравнивают поток и уменьшают потери на окружные вызванные скорости (↓ потери на закручивание струи).

; .

, т.е. 26% добавляется к КПД за счёт эффективного расположения рулей.

Тип лодки
Одновальные	0.77÷0.84
Двухвальные	0.66÷0.59

и более.

Перспективные типы движителей:

1) соосные гребные винты (винты, вращающиеся в разном направлении).

Уменьшается закрутка потока, следовательно, растёт КПД движительного комплекса;

2) роторные движители:

Представляют собой барабан диаметром, равным диаметру лодки, много поворачивающихся рабочих лопаток, угол наклона которых уменьшается в соответствии с потребностями – движители с циклической перекладкой лопастей.

Преимущества:

1) высокий КПД за счёт низкой частоты вращения (об/мин);

2) малая шумность.

Теоретические основы расчёта волнового сопротивления

Корабельные волны возникают как следствие движения возмущающего фактора.

Движение импульса давлений со скоростью .

- скорость движения импульса давлений (корабля).

- угол расходящихся волн,

- угол распространения фронта.

Импульс давлений в корабельных условиях соответствует участку корпуса с наибольшей кривизной судовой поверхности.

- длина волны.

- волнообразующая длина – расстояние между первыми гребнями волны носовой и кормовой систем.ж

Носовая и кормовая системы волн входят в интерференцию между собой.

- эмпирическая формула,

где - коэффициент продольной призматической полноты.

Если

где - целое число,

то волны гасят друг друга – благоприятная интерференция.

Если

- неблагоприятная интерференция.

Типичный график водоизмещающего судна:

1 - - от расходящихся волн,

2 - - от поперечных волн,

3 - - суммарное волновое сопротивление.

Расходящиеся волны меньше подвержены влиянию интерференции.

Задача расчёта R_w для «тонкого судна»

«Тонкое судно» - можно пренебречь шириной, вся обшивка корпуса сжата в ДП.

- ордината профиля взволнованной поверхности.

; .

Условия постановки задачи:

1) идеальная безграничная жидкость;

2) давление по свободной поверхности равно атмосферному;

3) используется теория волн малой амплитуды (скорости частиц от орбитального волнового движения «).

В такой постановке считается, что потенциал скоростей вокруг судна:

- поступательная составляющая,

- потенциал волнового движения (удовлетворяет уравнению неразрывности).

Потенциал должен удовлетворять:

- кинематическим граничным условиям:

(*),

- динамическим граничным условиям: давление во всех точках свободной поверхности равно атмосферному.

Применяем уравнение Бернулли для линии тока вдоль судна:

(**).

- условие непротекания жидкости через поверхность судна:

Составляющая скорости, нормальная к поверхности обшивки , следовательно,

(***)

или

- математическая формула поверхности корпуса судна.

Для «тонкого» судна считают, что все граничные условия удовлетворяют при (т.е. в ДП).

Нормаль и направление оси совпадают.

Уравнение Бернулли для струйки жидкости:

- пренебрегаем.

, следовательно,

обусловлена волновым давлением .

- статическая составляющая давления.

- элементарная площадка поверхности корпуса.

Полное волновое сопротивление:

обратно по направлению с потенциалом скорости и его производной .

В простейшем случае потенциал ищется подстановкой «источников стоков». Использование одного истока интенсивностью

позволяет получить следующее выражение для сопротивления:

- вспомогательная переменная интегрирования.

это решение Митчелла для «тонкого» судна.

- угол притыкания носовой ватерлинии, [рад],

- угол притыкания кормовой ватерлинии, [рад].

Результаты расчёта по этим формулам:

Теоретические закономерности :

1) график осциллирует, и размах колебаний растёт с ростом ;

2) расстояние между экстремумами по оси возрастает.

Формула для математической модели «тонкого» судна позволяет качественно анализировать влияние соотношений главных размерений. О строго количественном соотношении речь не идёт.

Дальнейшее развитие теории волнового сопротивления – переход к модели удлинённого судна.

В настоящее время – пространственная задача: совместно рассматривается потенциал волнового движения, пограничный слой и взаимодействие движителя с корпусом. Следует оптимизация обводов:

Для каждого свои обводы. То же – для кормовой оконечности. Форма бульба зависит от величины .

Ассиметричная форма кормовой оконечности придаёт потоку предварительную закрутку и снижает потери на закручивание струи.