/
Text
. ББ К 39.427
К61
УДК {629.124.9.039.001.2 + 629.124.9 : 533.6931 (031)
Рецензенты:
канд. техн. наук В. 1(. Дьяченко,
канд. техн. наук Б. А. Царев
Научный редактор
канд. техн. наук Б. А. Колызаев
I roC. пуБРН'4!':1R
наJl'чно
техн::ч,:, ';:ц
бнбЛНОТ8IiiiA '-.;'.'
ЭКЗЕ"..;
""
.
И
/l
..:Ц
('
,..1tA
- '...
!tl" 1/зз1
.....
.....,.
,
4 b
H Gf)
.
Колызаев Б. А., Косоруков А. И., Литвиненко В. А.
Кб! Справочник по проектированию судов с динами
ческими принципами поддержания.
Л.: CYДOCTPO
ение, 1980.
472 с., ил. .
Систематизированы основные сведеНIIЯ па теорИИ и практике про.
еКТИравания судов на ПОДВОДНЫХ крыльях ]J на воздушной подушке
(СПК н СВП). изложены методы определения rлавных размерений этих
СУДОВ, ИХ ХОДОВЫХ И мореходных качеств, экономических характери.
ТИК. Указаны способы оптимнзации проектноrо решения и дан анализ
поrрешностей расчета элементов СПК н СВП. Обоснован принцип на-
знаЧеНИЯ конструкторских запасов. Освещены вопросы надежности
и безопасности этих сvдпн.
Справочник предназначен для инженеров
судостроителей, сне-
циалистов НИИ, КБ судостроительных предприятий 11 флота; он МО-
ЖеТ быть полезен аспирантам и студентам старших курсов корабле.
строительных вузов и факультетов.
К 31805
008
24
79 3605030000
048( О 1 )
80
39.427
@ ИздатеJlЬСТВО
«Судостроение», 1980 r.
ПРЕДИСЛОВИЕ
j
I
j
Суда с динамическимн принцнпами
поддержания (СДПП): СП1( и СВП завоевывают широкое
признание как удобное и рентабельное скоростное TpaHC
портное средство. /
Для дальнейшеrо совершенствования СПК и'
СВП,
улучшения их мореходных качеств, повышеnия рента.
бельности на протяжении миоrих' лет ведутся исследова
ния. За последние rоды появились работы, посвященные
rидродинамике подводных крыльев, аэроrидродинамике
воздушной подушки, теории и практике проектирования
движителей, описанию энерrетических установок (ЭУ)
СДПП, общей и местной прочности, конструкционным ма-
териалам, анализу опыта эксплуатации СДПП.
ИЗ последних работ по проектированию СП К большой
интерес представляют книrи И. Т. ErOp{)Ba, Н. А. Зайцева,
[. П. Злобина. И. И. Исаева, Н. В. Маттес, Ю. А. Не-
цветаева, А. А. Русецкоrо, Ю. М. Садовникова, В. Т. Со-
колова, А. Н. Холодилина, А. Н. Шмырева н Др.
В развитие теории СВП большой вклад виесли
Ю. Ю. Бенуа, А. Н. Баrно, К. П. Вашкевич, А. Д. Вол-
ков, В. К. Дьяченко, [. П. Злобин, В. К. Зороастров,
Т. А. Зайцева, В. В. Кличко, Б. П. Кузовенков, И. А. Лю-
бомиров, В. А. Лукашевский, Е. З. Новиков, И. В. ази-
мов, В. М. Пузырев, С. Д. Прохоров, А. А. Русецкий.
В. Н. Трещевский, В. И. Ханжонков, В. П. Шадрин.
В. В. Шаталов, Б. А. Царев и др. Однако работ, охваты-
Вающих в КОЛlПлексе все узловые вопросы проектирования
СПК и СВП, совершенно недостаточно.
.
1*
з
Вышедшая в 1974 r. книrа авторов настоящеrо спра
вочиика «Особенности проектирования судов с новыми
принципами движения» в силу незначительноrо тиража
стала библиоrрафической редкостью и не может удовлет
ворить запросы инженеров кораблестроителей, препода-
вателей, аспирантов и студентов, специализирующихся
в области теории проектирования судов. Учебник А. М. Ва-
raHoBa «Проектирование скоростных судов», изданный
в 1978 r., является полезным вкладом в учебную литера
туру по проектированию, но не освещает с достаточной
полнотой принципиальные вопросы проектирования СПК
и СВП.
Предлаrаемый вниманию читателей справочник BOC
полняет недостаток литературы по вопросам общеrо про
ектирования СДПП. В книrе систематизирован материал
в объеме, необходимом для исследовательских проектных
прор аботок, Выполняемых в процессе формирования кон-
цепции судна и обоснования проектноrо предложения.
Помимо общих методов проектирования приводятся реко-
мендации по формированию функции общественной по-
лезности, по технико экономическому обоснованию опти
мальноrо решения, по расчетам rидродинамическоrо ком-
плекса, аэродинамике воздушной подушки, движителей,
определению внешних сил, действующих напряжений
в корпусе, крыльях, rибких оrраждениях. Даны реко-
мендации по выбору типа ЭУ, отдельные численные при-
меры.
Во мноrих случаях приведено по нескольку формул
для определения одной и той же величины. Это сделано
сознательно. Не всеrда удается обоснованно отдать пред-
почтение какой либо одной формуле, коrда точность не-
скольких из них примерно одинакова. В этом случае кон-
структор, сообразуясь со стоящими перед ним задачами
и объемом исходной информации, может выбрать из при-
веденных наиболее подходящую формулу самостоятельно
или вычислить искомую величину как среднюю по не-
скольким формулам. Формулы и rрафики основаны как
на теоретических выводах, так и на обработанном стати-
стическом материале мноrих источников. Приведены спра-
вочные данные по СПК и СВП.
fлавнuе внимание уделено выбору архитектурноrо
типа, rлавных размерений и основных элементов СДПП
вначале проектирования, коrда определяются основные
свойства судна: мореходность, экономичность и др., остаю-
щиеся практически неизменными на дальнейших этапах
проектирования.
На первых стадиях проектирования не всеrда может
быть отдано предпочтение какому-либо типу СДПП.
4
В ряде случаев приходится разрабатывать проект в не-
скольких вариантах, и только комплексная объективная
оценка позволяет сделать окончательный выбор дальней-
шеrо направления работ. Вот почему сочтено целесообраз-
ным в одной книrе объединить материалы по проектиро-
ванию СПК и СВП.
Книrа состоит из двух частей. Часть 1 посвящена
проектированию СПК, часть н проектированию СВП.
Часть 1 написана А. И. Косоруковым; часть 11 Б. А. Ko
лызаеВЫ 1 (rл. 1, Н), В. А. Литвиненко (rл. У, VI, УН,
6 rл. HI), С. А. Смирновым (rл. HI, 5, 7 rл. IV, 20
rл. VI), им же собраны материалы по СВП cKeroBoro типа,
представленные в rл. Н.
В справочнике нашли отражеиие рекомендации при-
нятоrо Ассамблеей Межправительственной морской кон-
сультативной орrанизации (ИМКО) и вступившеrо в силу
в 1979 r. Кодекса безопасности судов с динамическими
принципами поддержания, оказывающие влияние на вы-
бор элементов судна.
Основные характеристики СПК и СВП иностранной
постройки, представленные в таблицах, rрафиках, тексте
и схемах, взяты из зарубежных периодических публи-
каций.
Книrа написана на основе результатов исследований,
выполненных авторами, и обобщения данных, приведенных
в отечественноЙ и зарубежной литературе.
Авторы выр ажают признательность рецеизентам:
к. т. н. В. К. Дьяченко и к. Т. н. Б. А. Цареву за ценные
замечания и рекомендации, направленные на повышение
качества книrи, читают необходимым выразить блаrодар
ность также Л. В. Озимову, И. В. Озимову, Е. 3. Нови-
кову, Т. Н. Беляевой, Ю. М. Мохову, А. Н. Баrно,
Е. [. Финкельштейн, В. К. 30роастрову, [. Д. Барановой,
чьи материалы и рекомендации были использованы при
написании книrи.
Замечания по содержанию справочника, направлен-
ные в адрес издательства «Судостроение»: 191065, Ленин-
['рад, ул. rоrоля, 8, будут с блаrодарностью приняты
авторами.
'\.
ВВЕДЕНИЕ
Народиохозяйственная эффективность транспорта, в том
числе и MopcKoro, определяется комплексом теХНИКО-экономических показа-
телей, в числе которых важную роль иrрают скорость и реrулирность дo
ставки rрузов по назначению, себестоимость перевозок и др.
Резкое повышение волновоrо сопротивления, наступающее при
Fr L i> 0,35, так называемый «волновой барьер», создает оrраничения
для совершенствования морских водоизмещающих СУДОВ. Дальнейшее YBe
личение скорости судна приводит к нерациональному росту необходимой
мощиости механизмов.
Единственная возможность преодолеть трудности подъем корпуса
судна из воды и снижение сопротивления движению за счет динамических
сил поддержания. Существует несколько способов подъема корпуса судна.
Один из них основан на использовании принципа rлиссирования, в друrих
применены подводные крылья или воздушные подушки.
В настоящее время определились два основных решения проблемы созда
ния скоростных СДПП, обладающих приемлемыми мореХОДНЫМИ качествами.
Первое решение. Применяют подводные несущие крылья, устанавли-
ваемые под корпусом судна на стойках. Подъемная сила, ВоЗНljкающая на
крыльях при движении, полностью поднимает корпус судна из воды, блаrо
даря чему уменьшаются сопротивление движению судна и удары корпуса
о волну. Это позволяет обеспечить СПК более высокие мореходные качества
по сравнению с мореходными качествами друrих судов аналоrичноrо BOДO
измещения.
Исторически СПК берут начало от rлиссирующих судов, которые MorYT
развивать большие скорости. Однако rидродинамические Характеристики
их отноСительно невысоки, а мореходные качества совершенно неудовлетво-
рительны из-за больших ударных переrрузок на волне. С целью повышения
скорости и мореходности на rлиссеры установили подводные крылья. При
этом энерrовооруженность судов заметно снизил ась, а мореходные качества
существенно улучшились, скорость движения СПК на волне почти ие YMeHЬ
шил ась.
Сравнительные данные по энерrовооруженности морских судов и кораб-
лей различных классов, а также летательных аппаратов в зависимости от
скорости приведены на рис. 1.1. Для морских судов на rрафике отмечены
области, соответствующие плаванию в штормовых условиях (сплошные ли
нии) и на тихой воде (пунктирные линии). При этом штормовые условия
6
ень! К относительной высоте волны h B /D 1 / 3 0,5. Как видно из Диа-
привед
ы при скоростях 65 120 км/ч по характеристикам, определяющим
т ческие затраты на тихой воде и в штормовых условиях, СП1( MorYT
n евосХОДИТЬ суда друrих типов.
р Стадию экспериментальной проверки и отработки СПК в основном про-
шли, развернуто их широкое произвnлствn.
. N/D,Л. ./т
1000
/1 I
I j / I 2ЛJ
/ "; / /I/
," I " 1/
;' 4
, /
/ /
f\\\ Л\'l
,\ \ . л i)jJ'i' 'f
V )f!lJ
9fui/ r7
I y / /
'{SI f;{ ' I L J 7
j .' б I
. " I
t:;. L
f\7
и/
lfi. L /
8
.500
lI\'
JDл\"\V
'
. \,y
(\
,у
Д;
100
50
I
/
/
/
/
/
V
/
10
J
7
10
100
1000 v,км/ч
50
500
Рис. 1.1. Зависимость энерrовооруженности транспортных
средств от скорости и волнения
1 rлиссирующие суда; 2 сверхзвуковые самолеты; 3 дозвуковые
самолеты; 4 СПК; 5 эсмннцы; б крейсера; 7 авианосцы; 8
транспортные суда; 9 СВП; 10 вертолеты
Лидирующее положение в разработке пассажирских СПК дЛЯ речных,
()зерных и прибрежных морских линий занимает наша страна. Пассажир-
-ские СПК отечественноrо ПрОИЗВОДСТва, созданные под руководством
Р. А. Алексеева: «Ракета», «Метеор» и «Комета», получили широкое при
Знание в зарубежных странах.
Определенных успехов добилась фирма «Супрамар» (Швейцария), по
проектам которой в ряде стран осуществляется строительство пассажирских
iИ служебных СПК серии РТ дЛЯ прибрежных морских линий.
7
Качественно новый этап в развитии СПК начинается с внедрения rлубо
копоrруженных автоматически управляемых подводных крыльев (АУПК),
обеспечивающих резкое повышение мореходности этих судов. В этом направ
лени и активно работает в США фирма «Воинr), которая основные усилия
направляет на создание и отработку военных катеров и кораблей на АУПК
(<<Хай Пойнт», «Тукумкэри», «Пеrасус» и др.).
Ведутся работы по созданию СПК и КПК и в друrих странах (ПНР,
Италия, Франция, Канада, Анrлия, Япония, Нидерланды), rде строят про-
rулочные катера, СПК, а в ряде случаев и КПК по своим ориrинальным про-
ектам.
Второе решеиие. Применяют воздушную подушку слой сжатоrо воз
духа, создаваемоrо под корпусом судна с помощью специальных HarHeTa
телей и поддерживающеrо ero над опорной поверхностью.
Мысль о возможности создания аппарата на воздушной подушке выска-
зывалась еще в XVII 1 в. Однако активное развитие скоростных СВП нача-
лось лишь с конца 30-х rr. нашеrо столетия. Выдающийся вклад в развитие
СВП внес видный советский ученый В. И. Левков, который в предвоенные
rоды провел серию испытаний моделей СВП в аэродинамической лабора-
тории, построил и испытал несколько типов катеров на воздушной подушке
специальноrо назначения водоизмещением до 15 т. Среди проектов проф.
В. И. Левкова, реализации которых помешала Великая Отечественная война,
были суда водоизмещением до 30 т.
Основные работы по созданию современных СВП за рубежом начались
во второй половине 60-х rr. после патентования анrлийским инженером
К. Коккерелом в 1955 r. СВП с сопловой схемой формирования воздушной
подушки. С 60-х rr. ведется активное строительство пассажирских н rрузо
пассажирских СВП нескольких типов.
В нашей стране также серийно строят СВП амфибийноrо и CKeroBoro
ТИПа. СССР занимает ведущее положение в строительстве крупных СВП.
В перспективе возможно и третье решение: применение аэродинамическоr о
крыла, которое при движении вблизи поверхиости воды обладает за счет
эффекта экрана повышенной аэродинамической подъемной силой и пони-
женным сопротивлением.
Работы по созданию аппарата с динамической воздушной подушкой,
получившеrо название экраноплан, находятся в стадии научных экспери-
ментов и отработки небольших опытных образцов [4).
Часть I
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
СУДОВ
НА ПОДВОДНЫХ
КРЫЛЬЯХ
"
ОСНОВНЫЕ
УСЛОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
у
А. а коэффициеиты
ак доля водоизмещения
(веса) судиа, приходя-
щаяся иа кормовое
крыло
.ан то же иа иосовое крыло
В ширниа по конструк-
тивной ватерлинии
(КВЛ)
Век ширииа по скуле
В тр ширииа по траицу
Ь хорда крыла
Ь к » у концевой кромки
крыла
Ь О хорда в кориевом се-
чении
C z коэффициент сопро-
тивления
С% коэффициент подъем-
иой силы
Cl1. коэффициент иаrрузки
с наибольшая толщина
,профиля крыла; полу-
ширина смоченной по-
верхности корпуса при
ударе о волну
D Водоизмещение полное
D. дисперсия волиовых
ордииат
D и водоизмещеиие иор-
мальное
D пор водоизмещение порож-
Hero судиа
D CT водоизмещеиие стаи-
дартное
d расстояние от центра
тяжести (ЦТ) судна до
вектора силы удара
d и дальность обнаруже-
ния сторожевоrо ка-
тера нарушителем
d o дальность обиаруже-
ния нарушителя сто-
рожевым катером
Е модуль упруrости ма-
териала
F площадь сечения про-
дольных связей бруса
Fr Ь число Фруда по хорде
крыла
Fr L чис.по Фруда по длине
Fr 'Ii »по водо-
измещению
f средняя кривизиа про-
филя; площаДЬ сече.
ния связи; число
рейсов :,за навиrацию
11
G строительная стои-
мость судна
g ускорение свободиоrо
падения (9,81 м/с 2 )
Н высота борта
Н п . п высота борта до па
лубы переборок
Н пр высота борта приве
денная
Нз высота борта эквива-
лентноrо бруса
Н т высота борта на миделе
h rлубина поrружения
крыла
h относительное заrлуб
ление крыла
h B высота волн 3% -ной
обеспеченности
h мтц начальная поперечная
мета центрическая вы-
сота
h кл высота клиренса
h ep » волн 50% -ной
обеспеченности
h eT высота стойки
hy условная метацентр и-
ческая высота
I момент инерции
I ц индекс цен
I F момент инерции сече
ния судна
I т м момент инерции массы
судна относительно
плоскости миделя
К, k коэффициенты
L длина судна по КВЛ
L Kp расстояние между
крыльями
L m tlаибольшая длина
судна
1 протяженность района
соприкосновения KOp
пуса судна с волной
при ударе
lк размах KopMoBoro
крыла
lн размах HocoBoro крыла
]2
М масса судиа
МВ момент восстаиавли
вающий
М изr момент изrибающий
М кр » кренящий
M r масса судна, приведен-
ная к центру удара
m количественный изме-
ритель
т ц количество малых цик-
лов (между средними
ремонтами)
N мощность
N а »аrреrатная
N п » полная
N ц количество циклов при
определении устал ост-
ной прочности мате-
риала
Ni мощность текущая
n частота вращения
п н число навиrационных
периодов до среднеrо
ремонта
nп число пассажиров
Р упор движителя; часть
массы судна по раз
делу, статье
P rp масса перевозимоr о
rруза
Р давление
Ра »атмосферное
Pd »насыщенных па-
ров
. Q перерезывающая сила;
поперечная сила на
винте из-за скоса по-
тока
Qo наибольшая снла yдa
ра корпуса о волну
Qn провозная способность
судна
qn удельный расход топ-
лива на полной мощ-
ности
qi удельный расход топ-
лива на промежуточ-
ных режимах
R дальноСТЬ хода; сопро-
тивление выступаю-
щих частей (Bcero
судна)
Re число Рейнольдса
R ц радиус циркуляции
r относительное сопро
тивление; радиус Tpa
ектории частиц воды
в волне; радиус инер
ции массы судна от-
носительно попереч
ной оси, проходящей
через ero ЦТ
3 площадь помещения;
суммарная площадь
крыльев
3 в «(О) энерrетический спектр
волнения
3 к площадь KopMoBoro
крыла
3 н площадь HocoBoro
крыла
3 р протяженность рейса
т осадка судна
т Д ..:..... реактивная тяrа BЫ
хлопных rазов двиrа-
телей
т ДВЖ тяrа движитеJJ€Й
т к осадка су'дна кормой
т н » » носом
т ел общее время плановоrо
срока службы судна
до списания на слом
t текущее время
t H продолжительность ro-
довой НаВиrацин
t ep продолжительность
среднеrо ремонта судна
V скорость
V r » на rорбе сопро
тивления
V о скорость в Момент OT
рЫва судна от воды
У П скорость полноrо Хода
V З скорость эксплуата-
ционная
v объем помещеиий, BЫ
ступающих частей,
подводной части суд-
на
W к объем корпуса
W miп наименьший момент
сопротивления бруса
W вертикальная COCTaB
ляющая скорости CKO
шенноrо потока
Ш н объем надстройки
Х сила СОi1ротивления
воды движению судна
Х ось абсцисс, лежащая
в диаметральной пло-
скости и направлен-
ная вдоль судна
ХК абсцисса центра при
ложения подъемной
силы KopMoBoro крыла
ХН абсцисса HocoBoro кры-
ла
Xg абсцисса центра массы
судна
у ось ординат, лежащая
в плоскости шпанrоута
и параллельная основ-
ной плоскости
i подъемная сила
крыльев
i op подъемная сила кор-
пуса
Z ось аппликат, лежа-
щая в плоскости шпан-
rOYTa н направленная
вертикально
Zc аппликата центра Be
личины
Zg аппликата центра Mac
сы судна
а коэффициент полноты
ватерлинии; уrал
атаки крыла
а п коэффициент исполь
зования пассажировме.
стимости
аО. уrол нулевой подъем-
ной силы крыла
]3
уrол килеватости
крыла
O уrол внешней киле-
ватости днища на мн-
дель шпанrоуте
13т коэффициент полноты
мидель шпанrоута
l' масса единицы объема
1'0 уrол развала борта
!1R дополнительное сопро-
тивление на волнении
/j коэффициент полноты
водоизмещения; уrол.
перекладки закрылка
крыла
е ширина спектра вол-
нения; вЫСота буrор
ков шероховатости по
верхности крыльев
коэффициент трения
пп коэффицнент трения
эквивалентной пла-
сти ны
1) коэффициент полез-
Horo действия (КПД)
движителя
6 уrол крена
А. удлинение крыла
Ав длина волны
11 коэффициент динами-
ческой вязкости воды
v степень достоверно-
сти расчета
6 коэффициент утили-
зации материала эк
вивалеНтноrо бруса
Р массовая плотность
воды; степень (вероят-
ность) риска; попереч
нын метацентрический
радиус
Рв массовая плотность
воздуха
(J напряжение в связях
корпуса (нормальное);
КВадратичное откло-
нение
U относительное KBaд
ратичное отклонение
а в предел прочности ма-
териала
а т предел текучести Ma
териала
q> уrол рыскания судна
q> отношение подъемной
силы HocoBoro крыла
к подъемной силе кор-
MOBoro
Х уrол скольжения (стре-
ЛОВИДНОСТИ) крыла;
отношение объема кор-
пуса к кубу ширины
судна
'" уrол дифферента
Q ПЛощадь проекцИИ
СП!(, ДВижущеrося на
крыльях, на площадь
шпанrоута
(о частота волны
Раздел
ОСНОВЫ
ОБЩЕrо ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПК
rnaBa 1. ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ
И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ СПИ
t 1. Тенденции развития СПИ
Выявление тенденций развития относится к области про-
rнозирования и немыслимо без ретроспективноrо анализа и установления
внутрениих связей между элементами рассматриваемоrо явления.
Долrие rоды развитие СП!( сдерживал ось из за отсутствия приr.одных
для использования на них леrких, мощных, экономичных двиrателеи. По-
иски в этом направлеНIIИ оказались достаточно результативными. ArperaT-
ные мощности rлавных двиrателей, применяемых на СП!(, возросли в 400
раз с 75 л. с. на катере «Форланиии» до 30 тыс. л. с. на канадском !(П!(
«Бра Д'Ор». !(ак видно из рис. 1.2, аrреrатная мощность дизелей, применяе-
мых на СП!(, к 1970 r. выросла до 4000 5000 л. с. и имеет тенденцию к даль-
нейшему росту. Возможно, к 1980 r. на СП!( будут применяться леrкие ди
зели аrреrатной мощностью до 1 О тыс. л. с.
С 1957 r. на СП!( ):станавливают rазотурбинные двиrатели (fT Д), раз-
работанные на базе авиационных. ArperaTHbIe мощности [Т Д, применяемых
на СПК, в 60 x П. достиrли 30 тыс. л. с., а в недалеком будущем, по види-
мому, превысят 50 тыс. л. с.
С ростом arperaTHbIx мощностей двиrателей расширяются возможности
варьирования основных элементов СП!(. Избыток мощности может быть
использован для повышения скорости судна или при умеренных скоростях
для увеличения ero водоизмещения и соответственно rрузоподъемности.
В rоды второй мировой войны были построены !(П!( водоизмещением 80 Т.
В 50 x rr. верхний предел водоизмещения СП!( вырос последовательно с 10
до 100 т в 1960 r. и до 300 т к 1970 r. В настоящее время осуществима по-
стройка СП!( воДоиЗмещением до 500 т (рис. 1.3).
Поиск путей повышения водоизмещения, ведущийся во мноrих странах,
обус.10влен cTpeM.1CIIlICM увеличить рентабсльность СП!( и необходимостью
непрерывнorfJ повышения ударной мощи, увеличения автономности и даль
н сти хода, повышения живучести !(П!(. В конце 50 x п. фирма «fpYMMaH
Эиркрафт» провела исследовательское проектирование СП!( водоизмещением
от 100 :До 3000 т при скоростях 50 200 уз (93 370 км/ч) и дальности хода
400 3000 миль (740 5500 км). Изучал ась возможность применения на таких
СП!( дизелей, rазотурбинной и атомной ЭУ. В этот же период Вендель (ФРf)
разработал проекты серии различных судов (WSS), в том числе океанских,
водоизмещением 520 и 1100 т [3, 18, 28). Из этих работ следует, что при на-
личии мощных ЭУ MorYT быть созданы СП!( большоrо водоизмещения.
15
Высказывались и иеобосноваииые миеиия. Так, некоторые спецналис'fЫ
считали, что относительная масса крыльев с ростом водоизмещения проrрес-
сивио возрастает, что накладывает оrраничения на верхний преде.1J водоиз-
мещени я СПк. Это предполо-
жение без должноrо крнти
ческоrо анализа н проверкишн
роко популяризировалось в пе
чатн [14, 18], но при более
виимательном изучении не под-
твердилось"
В 1972 r. специалисты аме-
риканской фирмы «Боинr» [50]
утверждали, что к 1980 r. смо-
rYT создать КПК (вертолето-
носец) водоизмещением 4400 т.
Такой проrноз представляется
излишне оптимистичным. В по-
следующие rоды фирма предло
жила свои услуrи по созданню
в 80-х rr. oKeaHcKoro мноrоцеле-
Boro корабля на АУПК (НОС)
водоизмещением 1300 1600 т.
Сдерживающих постройку та-
Koro КПК факторов специа
листы фирмы не видят [55].
Наряду с увеличением во-
доизмещения на первом этапе
развития СПК просматрива.
лась четкая направленность
борьбы за скорость. К 1939 r. была достиrнута скорость (катер на подвод-
ных крыльях «Мисс US-3») в 80 уз (148 км/ч).
В дальнейшем с целью повышения скорости СПК в США проводились
экспериментальные исследования на специально созданных катерах: ХСН-4
(фирма «Дайнэмик Дивелопментс», 1954 r.) и FRESH-I (фирма «Боинr»,
1963 r.).
Nа,Л.с.
1ОООО{]
:50000
....
.....
ЮООО
5000
.....
1000
5{]0
.
.
.
.
19:;0
20Dи
(оаы
Рис. 1.2. rрафик роста arperaTHbIx мощио
стей rлавных двиrателей, используемых
на СПК
1, 2 оrибающая arperaTHbJX мощностей соотВет-
ственно дизелей и rтд
п,1
5000
J / .....
1000 ..- ....с::>
.500 'f
100
50
10
j
1990
ПJ8ы
Рис. 1.3. Тенденци.я увеличения водоизмещения СПК
СПК довоенноrо периода; 2 СПК послевоениой постройки; 3 опти-
мистический проrиоз; 4 пессимистический Проrноз w
16
,. ,.', " .", .
К'':'.....) :'.,'>1 ),;.
:;. f\ с' '<" }4"'
Параллельно велись проектиые нсследования противолодочных кораб
ей со скоростью около 80 уз (148 км/ч): вариант КПК противолодочной
БОРОНЫ (ПЛО) «Плейнвью», проект фирмы «Харпи», проект корабля
пЛО водоизмещением 550 т (фирма «Локхид»). Эти исследования показали,
что при скоростях свыше 60 65 уз (110 120 км/ч) происходит качественное
изменение режима обтекания элементов крыльевоrо устройства, появляются
кавитация крыльев и стоек и срывы потока. rидродинамические характери-
стики крыльев при этом значительно ухудшаются, энерrовооруженность и pac
ход топлива возрастают, дальность хода уменьшается. Суда становятся He
достаточНО рентабельными. Построены они не были.
Одиовременно с поисками путей увеличения скорости СПК проводятся
исследования с целью выявления наивыrоднейших скоростей, в частности,
20ПО
rпfJы
Рис. 1.4. ТенденциИ изменения
скорости СПК
/ период до 1939 r.; 2 исследова-
иия после 1950 r.; 3 область скоро'
стей основноЙ массы построенных и
спроектированных СПК; 4 область
скоростей малых проrуЛОЧНЫХ катеров
на ПОДВОДНЫХ I{РЬШЬЯ.Х
B2J-I r
/'
3.1
/' J....r
, f;;-t:f'92J-12А
V t:.HDC(DEH)
/ '"
,1.. · .1
f ' .
....... ..iA
.
./ ...
10
.2
':::!
:il
'"
<i55
<::>
"'"
<::>
'"
@-
'"
Е;
<:>
""
о
1950
2000
roОы
Рис. 1.5.
/
Повышение мореходиости
СПК
.1 суда с иеуправляемыIии подводными
крыльями (НПК) (8); 2 судана АУПI«L\):
3 маЛовероятный проrноз фирмы «Боинr»
(США); 4 реальный проrиоз
НаУЧНО-ИС5=ледовательским управлением ВМС США. В результате этих ис
следовании было установлено, что с учетом rрузоподъемности (дедвейта)
СПК оптимальные скорости находятся в пределах 45 60 уз (83 110 км/ч).
При этом дЛЯ СПК малоrо Водоизмещения наивыrоднейшая скорость Haxo
дится ближе к нижнему пределу указанноrо диапазона, а дЛЯ СПК водоиз
мещением более 300 т ближе к верхнему пределу.
Ск рости пассажирских судов и опытных КПК, построенных в после
военны.и период, находились в пределах 30 60 уз (55 11 О км/ч). При этом
нижнии предел скорости СПК имеет тенденцию к повышению (рис. 1.4) до
40 50 уз (74 93 км/ч). Проrулочные катера на подводных крыльях малоrо
водоизмещения имеют скорость 25 40 уз (45 75 км/ч).
На всех этапах развития СПК прослеживается тенденция неуклонноrо
8вышения их Мореходных качеств. Если к 1950 r. СПК водоизмещением от
o 80 т в режиме хода на крыльях моrли преодолевать волну высотой от 1
до м, ТО к 1970 r. высота преодолеваемой СПК волиы достиrла 4 м. Такое
существенное поВышение мореходности СПК стало возможным с отработкой
. и овершенствованием Систем автоматическоrо управления подъемной си
л :с полностью поrруженных подводных крыльев, работа над которыми ве-
Д я с коНца 50-х п. Можно предположить что через 15 20 лет СПК боль-
шоrо водоизмещения (более 1000 т) будут об адать практически неоrраничен
r..,;. П.,о';,.,:чная
наV НQ-l Хk.'ч&скаА
б,н.JМlvТЭWl (,CCN>
ЭКЗЕ-ПJ1Яf8
17
ной мореходностью, а спк небольшоrо водоизмещения (IOO 200 т) cmory-r
находиться в плавании при волнении моря 5 6 баллов (рис. 1.5).
Выявленные на основе ретроспективноrо анализа тенденции развития
спк сохранятся прн необходимостн совершенствования технико экоиоми-
ческих характеристик этоrо вида транспорта, а также при условии, что не
появятся более экономичные и скоростные транспортные средства.
В настоящее время перед наукой и техникой стоит задача дальнейшеrо
совершенствования СПК как эффективноrо транспортноrо средства, вклю
чающая вопросы:
создания леrких экономичных двиrателей большой мощности;
разработки высокопрочных, коррозионно устойчивых, пожаростой
ких леrких сплавов и армированных пластиков для корпуса и крыльевоrо
устройства;
повышения надежности систем автоматическоrо управления подъем-
ной силой крыльев;
совершенствования rидродинамики крыльев и движителей иа докави-
тационных скоростях и при развитой кавитации;
создания специальной производственно технолоrической базы и ин-
женерных средств базирования спк.
t 2. Особенности конструкции корпуса спк
СПК движется с большой скоростью при полиом выходе
корпуса из воды, что наложило отпечаток на ero виешнюю архитектуру, виут
реннюю планировку и конструкцию корпуса.
С целью снижения аэродинамическоrо сопротивления корпусу, иад
стройкам и выступающим частям судна придают обтекаемые формы [11].
Архитектурное решение пассажирских и служебных помещений подчинено
обеспечению наибольших удобств пассажирам. В связи с этим в салоне, как
правило, не допускается установка поперечных переборок и даже раМНЫХ
шпанrоутов; в бортах и лобовых стенках вырезают большие проемы для
окон, разделенные стойками небольших размеров. Поэтому вовлечение TE<H
товой палубы в работу эквивалентноrо бруса встречает подчас непреодоли-
Таблица 1.1
Области применения материалов, предназначеиных
для изrОТОВления корпусов спк
Характеристика
материала
Водоизмещение СПI(, т
0,1
0,5 1
50 100
500
5 10
Свариваемый алю
миниевый сплав
Алюминиевый
сплав для клепаных
конструкций
Дерево и стекло-
пластик
18
мые трудности. В результате увеличивается масса металлическоrо корпуса,
а следовательно, уменьшается полез.ная rрузоподъемность. .
Для повышения доли полезнои наrрузкн (увеличения экономическои
эффективности судна) изыскиваются пути снижения массы корпуса, крыльев,
ЭУ, оборудования. Из анализа характеристик различных конструкционных
материалов следует, что наиболее приемлемы для корпусов СПК леrкие
сплавы на основе алюминия, а в перспективе армированные стеклопла
стики. Области применения этих материалов приведеиы в табл. 1.1.
Рис. 1.6. Схема навесной системы набора
1 настил палубы; 2 бимс; 3 флор; 4 rоризонтальные киицы;
5 продольные ребра жесткости; б наружиая обшивка
Конструкция корпусов СПК из алюминиевых сплавов имеет специфиче-
ские особенности. Существуют алюминиевые сплавы двух катеrорий: несва-
риваемые и свариваемые. Свариваемые сплавы также подразделяют на две
rруппы: требующие и не требующие термообработки сварных швов.
Корпуса малых катеров на подводных крыльях из-за незначительных
толщин обшивки, исключающих возможность применения сварки, изrотов-
ляют клепаными или клееклепаными. Для сннжения трудоемкости корпус-
ны.;с работ клепаные КОНСТРукции чаще Bcero выполняют с навесной систе
мои набора (рис. 1.6), ПОЗВОЛЯющей существенно уменьшить протяженность
заклепочных швов. Клепка ПримеНЯJ1ась до 1963 r. Весьма перспективно
применеиие .для корпусов прессованных па нелей. Особенно выrоДНЫ они
. при навес Нои Системе иабора.
ко С 1960 r. корпуса СПК, как правило, Выполняют сварными. Опыт леr-
ro судостроения свидетельствует что простое заимствование характера
КОНСТРуктивных схем стальноrосуiостроеиия создает ряд технолоrических
19
трудностей. Из-за больших усадок в районе сварных швов происходит KO
робление конструкций, расстыковка монтажных соединений, появляется
большое число трещин. Кроме Toro, работать в уз костях с применением
устройств, обеспечивающих сварку в нейтральной rазовой среде, неудобно.
Поэтому в конструкцию корпуса вносят изменения, упрощающие техноло
rию сварки и стыковки секций, разрабатывают специальную технолоrию
сварки. Выявлено, например, что концентраторами внутренних напряжений,
6}
Рис. 1.7. Коиструктивные узлы: а приНципиаль-
ная схема соединения деталей из алюминиевых спла
вов сваркой; б варианты коиструкции редаиов
1 сварные швы; 2 ЛИНИИ обрезки КОНЦОВ сварных швов;
3 разрезиое диище; 4 иакладиой редаи
I
способствующих появлеиию трещии, являются коицы сварных швов, поэ-
тому их обрезают, для чеrо заранее предусматривают допуски на длину CBap
Horo шва (рис. 1.7, а). fабаритные объемные секции из алюминиевых спла
вов некоторых марок для снятия температурных напряжений и обеспечения
однородной микроструктуры OCHoBHoro металла шва и околошовной зоны
необходимо подверrать термообработке в специальных печах. Применение
сплавов, требующих термообработки, дЛЯ СПК нежелательно.
В большинстве случаев на диище СПI( делается один или несколько pe
данов. Редан нарушает непрерывность днища как основной продольной
связи, обеспечивающей общую прочность, поэтому в конструкции дНища
предусматривают необходимые подкрепления в районе реданов. Масса Me
таллическоrо корпуса вследствие этоrо заметно увеличивается.
20
Более конструктивны накладные реданы, устанавливаемые на непре
ывное днище (рис. 1.7, б) и позволяющие снизить массу корпуса при coxpa
Рении общей продольной прочности и конструктивности ДНищевоrо пере-
и ытия. ПространстВО внутри накладноrо редана заполняется пенопластом,
кр е отв ащающИМ попадание воды через неплотные швы или трещинЫ.
пр ддлg облеrчения подхода воздуха в зареданное пространство в момент
азrона, коrда редан еще полностью поrружен в ВОДУ, делают бортовые ре-
Раны с выводом выше ватерлинии. При этом нарушается непрерывность.
go та как прочной связи (рис. 1.8). Слома борта можно изб жать, соединив
во душным каналом зареданное пространство с атмссферои. Канал может
быть конструктивно оформлен в иде трубы либо водонепроницаемоrо воз-
душиоrо ящика в пределах однои шпации, расположениоrо заподлицо со.
Рис. 1.8. Устройство бортовоrо редана
1 ватерлииия в водоизмещающем полож'еиии; 2 воздушнЫй ящик
ДЛЯ подВода воздуха за диищевой редаи; 3 сочленение диищевоrо
и бортовоrо реданов; 4 поперечное сеЧеиие корпуса за реданом
шпанrоутами и соединенноrо над КВЛ с атмосферой и зареданным прост
ранством вырезами.
Платформы и выrородки выполняют из менее прочных, чем материа.ro
корпуса, материалов, широко примеияя клеевые, клеесварные и клееклепа-
ные соединения. Для второстепеииых переборок и выrородок можно исполь-
Зовать rофрированные листы из леrкоrо сплава или пластика.
3. Особенности конструкции
крыпьевоrо устройства
. l(рыльевое устройство является одной из основных ча-
стеи СПI(. При малых rеометрических размерах и массе оно воспринимает'
силу тяжести СУДНа, а также динамические усилия, возникающие при пла
вании судна в условиях волнения. В силу специфики назначения все эле
менты крыльевоrо устройства наrружены внешними силами в плоскости
иаимеНьшеrо СОпротивления. Поэтому к конструкции крыльевоrо устройства.
предъявляют особые требования.
Наибольшее внимание уделяют несущей плоскости, которую, как пра
вило, выполНяют неразрезной по всему размаху. Если это не удается ocy
2t
ществить, то стыковые соединения производят на тех участках, rде в соот-
ветствии с эпюрой изrибающих моментов имеет место минимальный изrи-
uающий момент. Стыки нижней и верхней обшивки несущеrо крыла по воз-
можности разносят. В районе притыкания стоек в крыле предусматривают
"Сплошные вставки из толстых поковок или утолщенные листы, подкреплен-
ные бракетами (рис. 1.9). При полой конструкции несущеrо крыла ребра
жесткости располаrают вдоль размаха крыла. К верхней обшивке несущеrо
крыла ребра жесткости приваривают без переходноrо пояска, к нижней
помощью пояска.
Нижние части полых стоек, примыкающие к несущей плоскости, усили-
вают. Варианты конструктивных соединений стоек с несущим крылом по-
казаны на рис. 1.9. В особо ответственных случаях соединительную KpeCTO
вииу крыла и стойки фрезеруют из единой поковки. Ребра жесткости стоек
располаrают в плоскости ребер жесткостн несущеrо крыла. Входящие
кромки крыла и стоек, а также выходящую кромку крыла (закрылка) фре-
зеруют из специальных поковок.
Более подробные сведения о конструкции крыльев, стоек, кронштейнов
и способах их соединений приведены в технолоrических документах на из-
'l'отовление крыльев конкретных СПК, а также в Правилах классификаци-
{)иных opraHoB, например Реrистра СССР [24].
Независимо от типа и конструктивноrо исполнения ,1юбое крыльевое
устройство при движении судна в крыльевом режиме должно обеспечивать:
постоянство подъемной силы;
продольную и поперечную устойчивость движения;
постоянство заrлубления крыла и необходимый клиренс;
малое реаrирование на возмущающее действие волиения (стабилиза-
цию судна иа волнении).
Стремление удовлетворить всем этим условиям при наименьших затратах
привело к появлению большоrо числа крыльевых систем, большинство из
которых запатентовано фирмами и отдельными изобретателями.
Удовлетворение всем перечисленным требованиям может быть обеспе-
чено при использовании rлубокопоrруженных крыльев с автоматическим
управлением подъемной силой. Применение иных крыльевых систем ведет
к "невыполнению каких-либо условий.
Малопоrруженные жестко укрепленные подводные кры.1ЬЯ для речных
СПК просты, дешевы, обеспечивают на тихой воде постоянство подъемной
силы и заrлубления, продольную и поперечную устойчивость. Однако малые
волны вызывают «жесткий» ход (тряску) судна, снабженноrо такими
крыльями, а крупные волны ero плавный ход. При этом продольная и по-
перечная устойчивость не обеспечены, т. е. система малопоrруженных крыльев
немореходна.
rлубокопоrруженные крылья без специальных систем управления не-
приrодны дЛЯ СПК. Система, комбинирующая rлубокопоrруженные элементы
крыльев с пересекающими поверхность плоскостями, обеспечивает постоян-
ство подъемной силы и заrлубления на тихой воде, продольную и попереч-
ную устойчивость, но резко реаrирует на волновые возмущения.
Конструкторская мысль ищет простое решение задачи комплексноrо удов-
.летвореиия требованиям, предъявляемым к крыльевому устройству. Совер-
шенствование крыльевой схемы Х. [ука (рис. 1.10), при которой уrол атаки
каждоrо из двух носовых rлубокопоrруженных крыльев автоматически ре-
rулируется приводами от rлиссирующих впереди катера элементов, ОТС.lе-
живающих профиль волны, нашло окончательное воплощение в анrлийских
катерах «Си Рейнджер», строительство которых началось в 1967 r. Однако
предусмотренные на этих катерах специальные конструкции скользящих по
Болие лыж, вынесенных вперед на подвижных рычаrах, не MorYT быть при-
знаны удачными. В последующих проектах СПК (<<Си Рейнджер-III») фирмы
о«Саузерн Хайдрофойлс» лыжи были заменены наклонными крыльями
,датqиками волны [12].
Иная конструктивная идея воплощена итальянской фирмой «Сифлайт
С. п. А. Кантиере навале». На СПК «Сифлайт Р46» предусмотрены раздель-
22
а)
5)
Б Б
JA
tб
б'
.' ,
ВI
8)
Рис. 1.9. СхемыIкоиструктивных узлов крыльевоrо устройства: а
эпюра изrибающих момеитов; б схема крыльевоrо устройства; 8
вариаиты конструктивных узлов
ные носовые крылья, пересекающие поверхность и подвешенные на ПОПt;реч
ной rоризонтальной оси. Ось относительно крыльев расположена таким об-
разом, чтобы силы сопротивления и Подъемная сила поворачивали крыло
в сторону кормы. Повороту крыла препятствует специальная пружИна, же
сткость которой и сила натяжения подобраны так, чтобы обеспечить постоян-
ную подъемную силу на всех режимах движения судна на тихой воде и при
волнении (рис. 1.11). Стабилизация ВЫсоты подъема СПК над водой обеспе-
чена пересекающими поверхность наклонными несущими плоскостями.
Фирмой «Супрамар» В 1967 [. внедрена на СПК система воздушной ста-
билизации. Приборы, учИтывающие параметры качки, реrулируют подачу
б
: '"
............. .....,
, "
.........' ....."'\
--'!>
\ М ( Мх
.
\ )М р
'f J
+
5
Рис. 1.10. Принципиальная схема
управления Подводным крылом
1 рычаr; 2 ватерлиния СПК: в BO
ДОИЗМещающем положении; 3 BaTep
линия при движении СПК в крылье-
БОМ режиме; 4 водная лыжа; 5
иесущее крыло; б тяrа поворота
крыла
Рис. 1.11. Принципиальиая схема
автоматическоrо поддержания
подъемной силы фирмы «Сифлайт
С. п. А. Кантиере навале»
воздуха на засасывающую поверхность крыла. Воздух идет самотеком и,
повышая давление над крылом, снижает ero подъемную силу. Таким образом
осуществляется реrулирование подъемной силы крыла в определенных пре
делах. В верхней кромке крыла просверлены отверстия для подачи Воздуха.
Наличие неровностей на засасывающей поверхности крыла допустимо при CKO
ростях судна до 50 уз (около 90 км/ч). При больших скоростях в районе ука-
занных отверстий будет возникать кавитация.
Для создания перемеНI!ОЙ подъемной силы часто применяют закрылки
<с ПРИВОДО:ll от управляющих систем. При относительно небольших скоростях
-движения СПК закрылки MorYT являться продолжением конструкции не-
сущеrо крыла. На закрылках более быстроходных СПК при их перекладке
MorYT возникать такие явления, как кавитация и срывы потока. Исключить
подобные явления или уменьшить вероятность их образования можно путем
размещения поворотных подкрылков под несущей плоскостью rлавноrо
крыла в Зоне повышенноrо давления [50]. В этом случае подкрылок, KOTO
рый не воспринимает массу судна, выполняют подобно рулям с профилем
СИ:llметричной формы. На нем возникают подъемная или топящая сила, ком-
.пенсирующая силы возмущения (рис. 1.12). При этом может быть достиrнута
.наИ:llеньшая мощность привода подкрылка.
Крыльевое устройство, как правило, значительно выступает за rабарит
ную ширину судна и увеличивает ero осадку в водоизмещающем положении.
Кроме Toro, крыльевое устройство следует постоянно поддерживать в нор-
мальном рабочем состоянии, не допускать отложения на нем солей и тем
24
обра стания ero водорослями и ракушками. Это требует частоrо доко-
более
я и сложняет эксплуатацию судна.
вани Одни из путеЙ упрощения эксплуатации СПК: является оборудование
их подъемнымИ крыльями. Были предложены и реализованы различные спо-
собы подъема крыльев. Подтяrивание крыльев к корпусу для уменьшения
осадКИ, складывание концов крыльев для обеспечения швартовки СПК к
пирсУ бортом, упрощая отдельные моменты эксплуатации, не решают друrих
проблем, в частности, таких важных, как докование для очистки крыльев.
,
I
I
I
I
I
I
I
I
I
2
1 :
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
...I T
...L
Рис. 1.12. Схема размещения подкрылков
1 неСущее крыло; 2 обтекатель кронштейн; 3 подкрылок;
4 прнвод поворота подкрылка
Существуют коиструкции подъемных крыльев, позволяющие подиимать
их из Воды полностью для очистки, шлифования, окраски с верхней палубы
судна. Такие конструкции перспективны и получат широкое распространеиие.
4. Конструкционные материалы
се Выбору материала при проектировании СП1( уделяется
рьеЗиое Внимание, Поскольку от материала зависит не Только масса корпуса
и КРЫЛьев, но таКже долrОвечность конструкций и эксплуатациониые xapaK
теристики судна.
25
Масса Продольных связей корпуса, а также крыльев пропорциональна
тношению удельной массы металла 'V к Пределу текучести а т . Следовательно,
.для повышения весовой отдачи судна иеобходимо выбирать металл с мини-
мальным отношением у/ат или наибольшим обратным отношением ат/у
удельной прочностью.
, , Практически невозможно подобрать материал, полностью удовлетво
:ряющий всем требованиям. Поэтому приходится к ero выбору подходить
дифференцированно. Так, для материалов конструкций корпуса несколько
меньшее значение имеют требования к коррозионно-усталостной прочности
и практически MorYT не учитываться требования к кавитационной СТОЙКОСТII
и стойкости К струевой эрозии. Напротив, для конструкцпЙ крыльевых
устройств указанные требования становятся определяющими.
Из опыта отечественноrо и зарубежноrо судостроения следует, что для
корпусов СПК наиболее часто применяют алюминиевые свариваемые сплавы,
длюминиевые сплавы для клепаных конструкций, стеклопластики, дерево
и эти же материалы в различных сочетаниях. Области применения мат.риа-
лов, предназначенных для изrотовления корпусов СПК, даны в табл. 1.1.
В отечественном судостроении для свариваемых конструкций широко ис-
пользуют алюминиевые сплавы марок AMr и АМц с удельной прочностью
5 8 км, для клепаных сплавы марки ДI6 Т с удельной прочностью до
12 км. При окончательном выборе металла для корпуса необходимо учиты-
вать, что при клепке ослабление отверстиями ПОД заклепки днища и палубы,
,особенно при малых толщинах обшивки, может достиrать 20 25%. Допу-
скаемые иапряжения клепаных и свариваемых сплавов оказываются сравни-
мыми. Поэтому применение более прочных несвариваемых сплавов может
не дать ожидаемоrо уменьшения массы корпуса. Кроме Toro, трудоемкость
серийной постройки клепаных СПК значительно выше, чем сварных СПК.
в частности, норматив трудоемкости корпусных работ на 1 т водоизмещения
для сварных конструкций в 2 8 раз ниже норматива для клепаных KOH
струкций. Несмотря на явные преимущества технолоrическоrо порядка сва-
1Jиваемых сплавов по сравнению с несвариваемыми, последние применяют
для изrотовления СПК малоrо водоизмещения, толщина обшивки которых
не позволяет производить сварку.
В практике мировоrо судостроения для изrотовления корпусных кон-
.струкций применяются свариваемые алюминиевые сплавы с удельной проч-
.ностью 5 8 км, \типов 5083,5456 и AIMg 5) и более прочные несвариваемые
сплавы (типов 6061, 2014 и AIMgSi).
При выборе металла для корпусных конструкций необходимо учитывать
также, что ряд свариваемых алюминиевых сплавов требует термообработки
в процессе изrотовления узлов. В связи с этим растут первоначальные за
траты на строительство специальных печей обжиrа и возникают значительные
трудности при ремонтных работах в процессе эксплуатации. Следует поэтому
по возможности избеrать применения сплавов, требующих термообработки.
К материалу крыльевых устройств требования более жестки, чем к ма-
териалу корпуса. Наряду с высокими прочностными характеристиками и ма-
лой удельной массой материал должен быть пластичным, стойким к электро-
химической коррозии, струевой и кавитационной эрозии, обладать стой-
костью к знакопеременным наrрузкам, быть долrовечным. Поэтому мате-
риалы, применяемые для крыльевых устройств, подверrают комплексной
проверке в лабораторных условиях и при эксплуатации на судах. Наилуч
шими для крыльевых устройств являются титановые сплавы и нержаве!С-
щие стали. Чаще применяют нержавеющие стали, как более дешевый мате-
риал по сравнению с титановыми сплавами.
Долrовечность материала характеризуется количеством вьщерживае-
мых под напряжением знакопеременных циклов. Типовые усталостные кри-
вые некоторых судостроительных материалов приведены на рис. 1.13. Из
диаrрамм видно, что с уменьшением действующих напряжений количество
циклов (долrовечность) растет. При некотором уровне напряжений, назы
ваемом Пределом выносливости, долrовечность металла неоrраничена. За
базовое, как правило, принимают количество циклов N ц == 107.
26
При выборе напряжений следует учитывать, что уровень допускаемых
яжений по условиям выносливости для материала с увеличением пре
H:;f ero текучести снижается (рис. 1.14). Выносливость cBapHoro шва хуже,
eM OCHOBHoro материала, и существенно зависит от типа cBapHoro соедине
ния.
Основные характеристики сплавов, используемых для корпусов и
к ыльев СПК, приведены в приложении V.
р Дальнейшее изучение пластмасс позволит широко использовать арми
ованные пластики для корпусных и крыльевых конструкций. В качестве
онструкционных материалов MorYT быть использованы пластмассы на ос-
иове полиэфирных смол, армированных стекловолокном или стеклотканью.
Удельная прочность армированных конструкциоиных пластиков находится
05
,
'r . -:rr--
0,25
10'1-
105
JO
106
107
Ни,
40
50 БО 70
ат,/(ас/мм 2
10
20
Рис. 1.13. Типовые усталостные кри-
вые судостроительных материалов
1 сплав марки AMr5B; 2 АМrБТ; 3
ОХ17Н710; 4 ДlБАМ
Рис. J: 14. Типовые зависимости пре-
дела выносливости металла при N ц ==
== 107 циклов от Предела текучести
J алюминиевые сплавы (стыковой шов);
2 алюминиевые сплавы (целые образ-
цы); з иержавеющие стали (целые об-
разцы); 4 иержавеЮщие стали (стыко-
вой шов)
в пределах 8 22. Это позволяет ожидать уменьшения массы корпуса из пла-
СТиков по сравнению с массой корпуса из алюминиевых сплавов почти вдвое.
Кодекс безопасности судов с динамическими принципами поддержания
[40] предъявляет к конструкционным материалам СПК повышенные требо-
вания. Соrласно Кодексу образцы конструкций ПаJlуб и переборок должны
подверrаться стандартным испытаниям на оrнестойкость. Образец KOHCTPYK
цИИ должен иметь площадь HarpeBa не менее 4,6 м 2 . Стандартная кривая за-
висимости температуры образца от времени HarpeBa проходит через следую-
щие Точки СС):
в !{ ОИI е первых 5 мИи
»» » 10»
(». » 30»
»:. » 60»
538
704
848
927
Неrорючим признается материал, который при температуре 7500 С не
rорит и не В.ыделяет rорючих фракций.
Оrнестоикие материалы и конструкции должны препятствовать проник-
Новению через них пламени и дыма в течение 30 мин или в течеиие трехкрат-
Horo, времени посадки пассажиров в спасательные средства плюс 7 мин на
тушение пожара.
27
5. Основные характеристики ЗУ
Специфика ИСПОЛЬЗования СПК накладывает определен
ные условия на выбор rлавной и вспомоrательной ЭУ. Для СПК характерно
ужесточение общих требований к rлавным судовым двиrателям (высокая
мощность, экономичность, надежность, большой моторесурс, работа на дe
шевых сортах топлива, отсутствие вибраций и др.) в части их массоrабарит
ных характеристик, режима работы, дистан
ционноrо управления двиrателями и кон-
троля за их работой.
Перечисленным требованиям удовле
творяют бензиновые моторы, быстроходные
леrкие дизели и [Т Д. Ориентировочные
зоны предпочтительноrо применения двиrа
телей различноrо типа показаны на рис. 1.15.
Бензиновые моторы имеют оrраниченную
мощность (до 300 л. с.) и MorYT приме
няться на ,СПК малоrо водоизмещения.
Несколько более широкая зона применения
хаоактерна для леrких быстроходных дизе
лей. На всех СПК можно применять rазо
турбинные установки (rTY).
На малых катерах на подводных
крыльях; служебных, проrулочноrо типа,
спортивных и катерах, находящихся в лич
ном пользовании, целесообразно исполь-
зовать бензиновые двиrатели и моторы
подвесноrо и стационарноrо типов, леrко
обеспечиваемые rорючесмазочными MaTe
риалами (rCM) и запасными частями.
В связи с эпизодическим использованием
катеров этоrо типа несколько повышенный
расход rорючеrо по сравнению с дизелями
не имеет принципиальноrо значения.
Для пассажирских судов и катеров.
совершающих реrулярные рейсы, целесо-
образно использовать в качестве r лавных
двиrателей леrкие быстроходные дизели,
обладающие высокой экономичностью pa
боты. Если потребная энерrовооруженность
не может быть обеспечена за счет дизелей,
то используют [Т Д. Поскольку рейсовые
катера на подводных крыльях и СПК, как
правило, имеют водоизмещение более 10 т.
то практический интерес представляют ди
зельные установки и [ТУ.
Здесь рассмотрены ЭУ с точки зрения правильноrо выбора типа YCTa
новки при определении rлавных элементов СПК:. Бс:лее подробные св.едения
о конструктивных особенностях ЭУ СПК можно наити в специальнои лите-
ратуре [4, 14 и др.].
Большинство пассажирских СПК оборудовано дизельными установками.
Достоинство двиrателей BHYTpeHHero сrорания заключается в сравнительно
высоком КПД (до 0,42), высокой экономичности работы. В настоящее вре :,Я
промышленностью выпускается целый ряд леrких быстроходных дизелеи.
Основные характеристики наиболее распространенных отечественных и за
рубежных быстроходных дизелей приведены в приложении 1V. УдельнаЯ
масса четырехтактных дизелей находится в пределах 1 ,4 1"7 кr/л. с. (оте-
чественные двиrатели); 2,1 3, 1 кr/л. с. (двиrатели фирм «Маибах» и «Mepce
дес-Бенц») и только дизели фирмы САКМ имеют повышенную удельную
массу 4,0 4,5кr/л. с. Двухтактные двиrатели имеют облеrченные конструк-
N,Л.с.
---
,,"'-1
fr4=2
300000
---
"
100000
. 50000
10000
5000
1000
500
100
50
50
Рис. 1.15. Зоны применения
двиrателей различноrо типа
дЛЯ СПК
J бензиновые моторы, J J леrкие
быстроходные днзели, J J J [ТУ
1 D 5000 т; 2 D 1000 т;
3 D 500 т; 4 D 100 т;
5 D 50 т; б D 1 О т; 7
D 5 т; 8 D 1 т
28
ции (0,26 1 ,58 кr/л. с.), однако срок их службы меньше, чем четырех
TaKT Ы . а двиrателя BHYTpeHHero сrорания возможна в оrраниченной об
а О ответствующей коэффициенту избытка воздуха, большему двух.
ласт ивается температурный режим, при котором исключаются ВЫпаде
под р илиндре твердых частиц неполноrо сrорания топлива, проrорание
иие а o шня и приrорание верхних поршневых колец. Наиболее неблаrо
H Hыe Русловия р.ля работы двиrателя наблюдаются в зоне между оrраничи-
р И . И вне шнеи ха р актеристиками (рис. 1.16). Внешняя характеристика
телЬНО .
показывает зависиМОСТЬ мощности от часто::ы вращения при положении реики
топливноrо насоса на упоре максимальнои мощности. Работа двиrателя по
внешней характеристике из за значитель-
ных тепловЫХ переrрузок проходит при
самых высоких температурах выхлопных
rазов. Срок службы двиrателя резко со-
кращается. Поэтому в зоне между оrрани
чительной и внешней характеристиками
допускается только кратковременная pa
бота двиrателя, например при разrоне СПК:
( коrда к силам сопротивления добавляются й5
) ,
силы инерции.
При подборе двиrателя дЛЯ СПК сле-
дует обеспечить, чтобы ero винтовая харак-
теристика (кривая зависимости мощности
от частоты вращения винта) лежала ниже
оrраничительной. Выполнить это условие
довольно сложно. При повышенном сопро
тивлении в переходном режиме винтовая
характеристика дизеля может пересечь
оrраничительную.
Практика эксплуатации отечествен-
ных СПК показывает, что ходовые режимы
при работе rлавных двиrателей с макси
мальной мощностью нецелесообразны как
е точки зрения расходования ресурса, так
и по условиям повышенноrо расхода топ-
Jlива при общем незначительном повыше
нии скорости судна. Обычно основной
эксплуатационный режим дизельных СПК
выбирают при мощности, составляющей
(),6 0,8 максимальной, т. е. вблизи режима, соответствующеrо максималь-
ному значению КПД двиrателя.
По опыту эксплуатации отечественных СПК [14], общее время работы
rлавных двиrателей (%) распределяется в среднем следующим образом:
Запуск, реверс, переменный ход при маневрнрованин . . . . . . . . . 11
ХОЛостой ход (проrрев двиrателей, стоянка) . . . . . . . . . . . . .. 9
Эксплуатацнонный режим. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
N/N тlLx
o
8,
"
,
1
п/птдх
.Рис. 1.16. Рабочие области ди-
зеля типа М50 и [Т Д
1 внешняя характеристика; 2,
5 оrраничительная характери-
стика полной н эксплуатационной
мощностн; 3 реrуляторная; 4
рабочая область дизеля; б минн
мальная длительная :мощность; 7
минимальные устойчивые обороты;
8 рабочая область [ТД «Мзрии
Протей»
Расход ресурса r лавных двиrателей зависит от интеисивности эксплуата-
цИИ СПК: (одна или две смены экипажа), протяженности рейса и характера
ледовой обстановки. При круrлоrодичной навиrации отмечеи следующий
.среднеrодовой расход ресурса (ч):
При односменной работе. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 2500
»ДВухсменной » ......:............... 4500 .5000
За время навиrации двиrатели должны работать без переборки. Быстро-
ходные леrкие двиrатели BHYTpeHHero сrорания еще не в полной мере OTBe
чают этому требованию. Лишь в последние [оды осваиваются модификации
некоторы.х леrких быстроходных дизелей с rарантийным сроком службы
до первои переборки 2000 2500 ч.
29
_..
Применяемые на СПК [Т Д эксплуатируют в жестких для них морских
условиях. Влажный воздух с примесью солей щелочных металлов способст-
вует усиленной коррозии деталей проточной части и снижению мощности
в результате засорения компрессора. Эти условия предъявляют к КОНС:УУК-
цИИ СПК дополнительные требования. Необходимо соорудить устроиства
для сепарации воздуха и специальные системы для очистки проточных ча-
стей двиrателей от заrрязнения. Водоотделители на воздухозаборном тракте
MorYT быть построены на принципе сетчатых фильтров или инерционных се-
параторов, в которых вода отделяется за счет резкоrо изменения направле-
ния движения воздуха.
[Т Д чувствительны к температуре наружноrо воздуха, с повышением
которой метно снижается мощность [Т Д, и сопротивлению на входе и вы-
ходе, что исключает возможность
установки rлушителей.
Применяемые на СПК [ТД, как
правило, имеют свободную силовую
турбину, что обеспечивает помимо
свободноrо запуска также широкий
диапазон реrулирования двиrателя
при работе с движителем. Рабочая
зона [ТД (см. рис. 1.16) в связи
с этим оказывается существенно
большей, чем у двиrателей внутрен-
Hero сrорания, что исключает опас
ность выхода винтовой характери-
стики из рабочей зоны в различных
условиях плавания (форсированный
выход на крылья, повышение сопро-
тивлення на волнении, В.'1ияние кре-
нов и дифферентов, выпадение катод-
ных осадков на крыльях и др.),
Одновальные [Т Д с жестко на-
саженными на один вал компрессо
ром и силовой турбиной, широко
используемые в авиации, дЛЯ СПI(
применяются редко в связи с необхо-
димостью введения специальных уст-
ройств, соrJlасующих заrрузку тур-
бины и движителя по моменту. Необ-
ходимость соrласования заrрузки
обусловлена тем, что одновальный
[Т Д работает с постоянной частотоЙ
вращения. Соrласование моментов
может быть осуществлено перепуск
ными клапанами, снижающими за-
rрузку двиrателя при запуске и постепенно наrружающими ero при раз-
[оне; rидравлическими !уфтами, отключающими движитель при запуске
и постепенно наrружающими турбину, а также с помощью винтов с реrули-
руемым шаrом. Все эти решения нежелательны, так как ведут к усложне-
нию ЭУ. Для СПК предпочтителен [Т Д со свободной силовой турбиной.
Эксплуатация [Т Д на СПК выявила необходимость значителыюrо по-
вышения качества очистки топлива от воды и механических примесей (с при-
менением сепарирования), поскольку засорение форсунок ухудшает раСIIЫЛ
топлива, приводит к Hara рообразованию, повышению температуры rазов,
оплавлению лопаток, появлению трещин в стенках жаровых труб и друrим
явлениям способствующим существенному снижению ресурса [Т Д [с 5000 ч
У авиаци нных турбовинтовых двиrателей (ТВД) примерно до 2000 ч У кон-
вертированных авиационных двиrателей].
С целью сокращения массы и расхода топлива конструируют [Т Д без
ступеней заднеrо хода, а маневрирование СПК в водоизмещающем положе
IJi/lfп
5
1,
I
,/:
J
О +
5
O
Ifп,а/л.с:ч.
300
2р
250
2,0
200
1,5
150
о
5
10
Ni/Nп
Рис. 1.17. Зависимость ОТноситель-
Horo удельноrо расхода топлива от
заrрузки двиrателей
1, 3 [ТД; 2, 4, 5 леrкие быстроход-
ные днзели М50, МВ-820В (точками на 1,
2 отмечены удельные расходы топлива
двиrателей)
30
ляю т С помощью ЭУ малоrо хода. Удельная масса [Т Д с ростом
осуществ
нии . мощности уменьшается.
их аrреrатнои Р акте р истики применяемых на СПК [Т Д иностранной по-
основные ха IV
" веденЫ в приложении .
строики при" асхОД топлива являющийся одной из определяющих харак-
Уделэн:и з висит от степе и заrрузки двиrателя. Для дизелей эта зави-
тери сТИК ы жена относительно слабо, что можно проследить по рис. 1.17.
сиМОСТЬ в Ркак дЛЯ [Т Д с уменьшением заrрузки двиrателя расход топлива
в то время Т У д ельный расход топлива для двиrателеи, работающих
Р езко возрастае . У л "
" остью обычно приводится в их характеристиках. де ьныи
с поЛНои мощ: для д зелей находится в пределах от 158 до 210 [/ Л.с. . ч, Луч-
раСХОДБТОП авиационных ТВД имеют расход топлива, равный 180
Ш о о е ; 0 р зч У судовых [Т Д повышенный расход топлива 210 310 r/л. С.' ч.
2 r л.с. но ' С тем что С у довые [Т Д создают, как правило, на базе авиацион-
Это связа , Л Т
ателеи . Р ассчитанных на высотно-скоростные режимы эксп уа a
ных двиr, " Д
ии и ие имеющих сложных устроиств на входе и выхлопе. ля специально
11. ктированнЫХ судовых [Т Д экономичность может быть приближена
П; номичности дизелей (например, [Т Д LM-2500 фирмы «Дженерал элек-
трик», США). б
Расход топлива на промежуточных режимах можно оценить по при ли-
женным формулам:
для дизелей
qi==qп[0,9+0.4( Z +Л;
qt==qп(О.74+.0.26 ).
(1.1)
для rT Д
j
Несмотря на некоторые недостатки, rтд MorYT быть предпочтены ди-
зелям, если предназначены:
дЛЯ СПК и КПК большоrо водоизмещения, коrда требуются большие
arperaTHble мощности двиrателей;
для малых военных катеров и кораблей с умеренной дально тью хода,
при которой суммарная масса ЭУ и топлива оказывается меньшеи, чем при
дизельной установке, коrда разность масс может" быть использована для уве-
личения состава вооружения (повышения боевои мощи);
для эпизодически используемых спортивных СПК, дЛЯ которых рас-
ход тоПлива менее важен, чем облеrчение судна.
Некоторые способы передачи мощности на движители отражены на
рис. 1.18.
Возможны и друrие принципы передачи и преобразования энерrии дви-
rателя в упор движителя. Из перечисленных передачи типа «колонка» С Me
ханическим, электрическим и rидравлическим приводами, а также водомет
в корпусе Позволяют существенно увеличить высоту стойки крыла, а следо-
вательно, и улучшить мореходные качества СПК. Передачи с наклонными
валами оrраничивают возможности повышения мореходных качеств СПК и
для больших морских СПК неприемлемы.
Зависимость относительной массы ЭУ в целом от типа применяемоrо
двиrателя, ero аrреrатной мощности и способа передачи мощности на движи-
тели приведена на рис. 1.19, которым можно воспользоваТься в первом при-
ближении При отсутствии близкоrо прототипа или исходных данных по при-
нимаемым на судно двиrателям. _
Прн ОКОнчательном выборе типа ЭУ СПК и конкретных двиrателей сле
дует УЧИТЫвать рекомендации Кодекса безопасности СУДОВ с динамическими
принципами Поддержания [40]. Основные рекомендации Кодекса по выбору
механизмов СВОДЯТСЯ к следующему;
КОНСТРУкция двиrателя должна исключать возможность ero разноса
и крупных раЗРушений корпуса при авариях; .
в КОнструкции двиrателя должны быть предусмотрены устроиства,
СВОДящие к Минимуму ОПасность возникновения пожара и взрыва;
31
...
0.)
2
5)
1
2
р
2it l
8
у
1 6
2) l
2 Jl
8
у
а) 1 9
r
0/ 2:1'
J 1
н
у
z
з) g
32
Рис. 1.18. Схема Пере-
дачи мощности от двиrа-
теля к ДВижителю: а
передача наклонными ва-
лами; б передача на-
клонными валами с уrло-
вым редуктором; в
Передача с помощью
уrловых редукторов II
вертикальной трансмис-
сии (механическая ко-
лонка); 2 электродви-
жение с rребными элек-
тродвиrателями в rондо-
лах; д передача от
rидравлическоrо Двиrа-
теля, размещенноrо в [он-
доле (практически не-
применима из-за низкоrо
КПД rидропередачи); e
прямая передача от [ТУ
в rОНДолах (принципн-
ально возможна, но прак-
тически неприменима);
ж водометы с насоса-
ми в обтекателях; з
водометы с насосами
в корпусе
1 двнrатель; 2 ДВИЖИ-
тель (винт. водомет); 3 ре-
дуктор; 4, 5 верхннй и
ннжний уrловые реДукторы;
б rенерзтор; 7 пульт
управлення; 8 rребноh
электродвнrатель; 9 rндро-
насос; 10 rндромотор
не допускается помпаж [Т д. Прочность [Т Д должна быть такоА,
бы выпадение лопаток компрессора или силовой турбины ие приводило
что
повреждениям, представляющим опасность для судна;
J{ виброакустические характеристики двиrателей и оборудования
олжны удовлетворять требованиям обеспечения комфорта для пассажиров
Д а .
и экипаж ,
не рекомендуется использовать топливо, температура вспышки ко-
roporo ниже 4З О С ;
..;
'"
<t:> 8
со
7
::;
:t:
Б
5
t:o
tJ
;;;4
J
:z::
.с
2
1::
2 f
Е:
"=> О f
10
100
1000
10000 100000
; На ,л.с.
Рис. 1.19. Зависимость относительной массы ЭУ СПК
1 подвесные бензнновые моторы; 2 автомобнльные карбюра-
торные двнrателн; 3 быстроходные днзелн; 4 [ТУ с уrловой
зубчатой передачей; 5 [ТУ с водометамн
в случае применеиия двиrателей, работающих иа топливе с темпера-.
турой вспышки ниже 430 С, должен быть предусмотреи комплекс противопо-
жариых мероприятий, соrласованных с заказчиком. Но и в этом случае
должно использоваться топливо с температурой вспышки ие ниже 380 С.
rnaBa 11. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ОБЩЕrо ПРОЕКТИРОВАНИЯ СПК
t 6. Методопоrнческне основы проектнровання
Современный уровень развития научных направлений,
и Дисциплин, так или иначе соприкасающихся с теорией проектирования'
судов (кораблей), предопределяет комплексный подход к обоснованию про '
THЫX решений, учитывающий мноrочисленные внутренние и внешние связи,.
в рактьеризующие создаваемое судно как систему и даже элемент системы.
п еи иера р хии, способный выполнять возлаrаемые на Hero функции с
млемои эффективностью на протяжении Bcero жизненноrо цикла.
2 3 аказ Н. 1856
3&,
-
. Судно и ранее рассматривалось как система, состоящая из взаимосвя-
занных подсистем (корпус, ЭУ, rрузовые устройства и т. д.). В настоящее
время TaKoro узкоrо представления системы (замыкания в рамках судна)
недостаточно для выявления ero эффективности в системе Народноrо хозяй-
.ства. Воз никает необходимость учета внешних связей.
Рассматривая эффективность судна по ero основному назначению, по-
мимо полезноrо эффекта учитывают также затраты на получение этоrо эф-
фекта. Из множества возможных решений для последующей реализации вы-
бирают единственное, однозначно обоснованное.
Судно функционирует в системе экономической деятельности общества.
В этой сфере человеческой деятельности следует искать показатели эффектив-
ности и критерии оценки рациональности технических решений. Наиболее
обобщенными показателями экономической деятельности общества являются
произведенный продукт и затраты на ero создание в денежном исчислении. Эти-
ми показателями в большинстве случаев может быть измерен экономический
эффект, а также затраты общественноrо труда на используемые ресурсы при
создании и эксплуатации судна. Поэтому технико экономический анализ
!Нашел широкое применение при обосновании проектных решений.
В настоящее время проектирование включает в себя не только опреде-
JJение rлавных размерений и основных элементов судна, но также анализ
экономической (или иной) эффективности судна, затрат на ero создание и до-
.стижение полезноrо эффекта в процессе функционирования судна в эко
номической системе на протяжении Bcero периода эксплуатации.
При подrотовке предложений по созданию HOBoro судна проектант дол-
жен спроrнозировать величину полезноrо эффекта во времени на rлубину
жизненноrо цикла судна.
Обоснование судна предполаrает совместное использование следующих
дисциплин:
исследования операций;
Теории проектирования судна;
экономическоrо анализа (чаще называемый технико экономическим
.анализом);
анализа систем;
научно-техническоrо проrнозирования.
Математическая модель обоснования проектноrо решения включает в
себя самостоятельные, но взаимно связанные блоки:
обоснование требований к проектированию судна с исследоваиием
влияния на ожидаемый полезный эффект таких факторов, как райоиы ис-
пользования, объемы решаемых задач, пределы rрузовместимости (произво-
дительности), мореходные характеристики;
выбор rлавных элементов судна, обеспечивающий получение задан
иоrо полезноrо эффекта с анализом влияния на ero величину различных ха-
рактеристик судна (rрузоподъемности, скорости, дальности хода, мореход-
ностн, типа ЭУ и друrих проектных решеннй);
технико экономический анализ проектных решений, обеспечивающий
Qбъективный выбор варианта судна, который окажется лучшим на протяже-
нии Bcero жизненноrо цикла в условиях неопределенности (изменчивости)
внешних условий эксплуатации, физическоrо и моральноrо старения тех-
ники, ожидаемоrо уровня надежности входящих в судно устройств и техни-
ческих средств.
Математические модели проектирования представляют реальный физи-
ческий процесс создания и эксплуатации судна в виде совокупностей мате-
матических уравнений и неравенств, которые отражают реально существую
щие связи между элементами судна, показателями полезноrо эффекта и затрат
с учетом возможных условий эксплуатации.
Обоснование требований к проектированию судна является прероrати-
воЙ заказчика и служит основанием для формирования функции общ:ствен-
ной полезности, установления днапазона изменения внешних условии, вну-
три KOToporo создаваемое судно должно быть эффективным. На этом этапе
должны быть выполнены проrнозные оценки теиденций изменения внешних
34
сло ВИЙ создания эксплуатации судна для снижения уровня неопределеи-
у сти ЭТИХ условии.
но Выбор rлавных .элементов судна и технико-экоНомическое обоснование
ero является задачеи проектаита судна.
t 7. Формирование функции
общественной полезности
Всякое сооружение, в том числе и судно, являющееся
плодом творческих усилий человека, создается с целью извлечения полезноrо
эффекта для общества. Полезный эффект может быть различным в зависимо-
сти от потребностей общества, сформулированных заказчиком в назначении
судна. Для транспортных судов полезный эффект заключ ется в перевозке
rрузОВ для промысловых В размерах добытых ценностеи. Для судов спе-
циальн'оrо назначения полезный эффект может носить специфический OTTe
нок например, математическое ожидание количества судов, которым может
быт оказана помощь для аварийно-спасательных судов, вероятность реше-
ния задачи для научно-исследовательских судов, военных кораблей и т. д.
Под термином «функция общественной полезности» в дальнейшем по-
нимается математическая модель, описывающая способ достижения судном
полезноrо эффекта и ero размеры.
СПК: MorYT использоваться для решения относительно небольшоrо Kpyra
задач, вытекающих из особенностей конструктивноrо облика и свойств судна
как высокомореходноrо инженерноrо сооружения.
Область применения СПК: оrраничивается перевозками пассажиров
инебольших rрузов, осуществлением служебных функций (охрана порядка,
борьба с пожарами, служебные перевозки). Применяются КПК: и для воен-
ных целей (противолодочные, сторожевые, ударные, поrраничные и др.).
Не касаясь военной стороны использования К:ПК, заметим, что СП1(,
используемые в мирных целях, по принципу оценки полезноrо эффекта,
можно разбить на две rруппы. к: первой можно отнести пассажирские и rрузо-
пассажирские суда, полезный эффект которых оценивается экономическими
показателями; ко второй остальные СПК:, полезный эффект которых не
может быть выражен в экономических показателях, а заключается в возмож
НОМ предотвращении ущерба народному хозяйству (ситуация, влекущая за
собой такие действия, может и не возникнуть за время «жизни» судна).
Математические модели для судов первой rруппы носят, как правило,
«имитационный» характер. отражающий пооперационный моделируемый
процесс во всей сложности ero «физическоrо» течения [19].
Простейшей моделью является СПК: дЛЯ перевозки пассажиров (rрузов)
на одной линии.
Характеристикой полезноrо sq;фекта судна ЯЕляется провозная произво-
дительность (способность) за навиr"цию, УЧИТЫВ2кшая ссс6еннссти эксплуа-
тации судна за весь ero жизненный цикл. В расчеты принимается rодовой
период как планово-отчетный.
В жизненный цикл судна включают навиrационные периоды, все виды
ремонтов (навиrаuионные, средние, профилактические, а также докование)
судна, ЗИМние отстои.
Периодичность всех видов ремонтов реrламентируется соответствующими
Нормативными документами. По опыту эксплуатаuии прсфилактические
ремонты и даже навиrационные чаще Bcero совмещаются с зимними отстоями
судов (на замерзающих в зимний период водных путях). Средние ремонты
ПРОВОДятся один раз в несколько лет (3 4 rода). Продолжительность сред-
Hero реМОНта Зависит от ВОзможностей судоремонтноrо предприятия. Средняя
за ЖИзненный цикл продолжительность rодовой навиrации может быть оп-
ределена по формуле
t и == Т сл т ц (n и 1) L\ (т ц 1) t cp (2.1)
2*
mцn и
35
...
rде время зимнеrо отстоя (или текущеrо ремонта при круrлоrодичной
навиrации). Величины t H , т сл, t cp и измеряются в сутках. Докования сов-
мещают с текущим ремонтом или зимним отстоем.
Число рейсов за навиrацию находят по формуле
f == t и е (J) . (2.2)
'[х + 'rrp + "СТ
Время на ежемесячные планово-предупредительные (профилактические)
ремонты
. t п
8 == Тпр. p .,
30
(2.3)
il'де "пр. р время профилактическоrо ремонта, сут. Профилактический
ремонт совмещают с осмотром подводной части корпуса, крыльев, винтов,
:рулей, их мелким ремонтом и окраской.
Время на замену rлавных двиrателей по израсходованию ими ресурсов
Б навиrацию
'[р. е (t )
(J) "" Т зам П 8 ,
Т рее
тде "зам время на замену rлавных двиrателей, сут; Тр. с суточный рас-
ход ресурсов, ч; Т рес ресурс двиrателя до переборки в условиях MaCTep
ских, ч. В практической эксплуатации замена rлавных двиrателей может быть
совмещена с одним из ремонтов или произведена в период зимиеrо отстоя.
.однако при экономическом аиализе такие совмещения ие учитываются.
Ходовое время в рейсе
(2.4)
Sp
ТХ == .
V З
Время rрузовых операций "rp складывается из времени поrрузки и вы-
трузки, В том числе и Посадки-высадки пассажиров, на конечных и Промежу-
'[очных стоянках. Время rрузовых операций зависит от rрузоподъемности
судна и оборудования портов. Это время имеет тенденцию к СОКращению по
мере совершенствования оборудования портов за время службы судна. Стоя-
ночное время для посадКи-высадки пассажиров в промежуточных пунктах
.в зависимости от пассажирооборота по опыту эксплуатации отечественных
пассажирских СПК составляет от 1 мии (для Приrородных линий) до 5 мин
,(для дальних линий) [3].
Продолжительность стояиок вне rрузовых операций "ет состоит из не-
-скольких компонентов.
Времени маневрирования при подходе-ОТходе, paBHoro для пассажир-
.ских СПК в среднем 3 мии на каждую остановку.
Продолжительности простоев из-за неблаrоприятных rидрометеоро-
.лоrических условий, например вследствие шторма, Препятствующеrо выходу
,судна в море, Проливноrо дождя, при котором задерживается сверх нормы
Посадка-высадка, rycToro тумана, затрудняющеrо выход в рейс СПК и т. п.
Число штормовых дней в rоду по каждому морскому театру определяют на
'оснОве статистики (см. рис. 3.43). Аналоrичным образом данные MorYT
.быть получены и по друrим показателям, приводящим к вынужденным про-
,стоя!\!.
Продолжительиости вспомоrательных операций (оформление докумен-
тов, выполнение таможенных формальностей, Подrотовка помещений судна
к принятию пассажиров и rруза, перерывы на обед, простои в ночное время
из-за eCTecTBeHHoro прекращения пассажиропотока или иных причин, на-
Jlичия праздничных дней и пр.). На внутренних (речных) линиях, например,
общее время стоянок на начальные и конечные операции равно примерно
';2 ч. Ночные простои (при двухсменной работе) равны примерно 8 ч/сут и за-
висят от протяженности рейса и расписания движения.
(2.5)
6
Времени непроизводительных стоянок вследствие неисправности ме-
изМОВ, нечеткой орrанизации пополнения судовых запасов и Пр. Влияние
хаНежности техники может быть учтено путем введения в модель статисти-
надких показателей, зависящих от уровня надежности этих технических
e ДCTB (например, вероятности безотказной работы). Таким же образом
,lorYT быть учтены недочеты орrанизации работы (средние по пароходсТВу).
Указанные виды непроизводительных потерь имеют тенденцию к сокращению
вследствие внедрения методов проrнозирования надежности механизмов,
:arpera THbIX методов ремонта и автоматизированных систем управления.
В целом rодовую провозную способность СПК: Qп подсчитывают по фор-
муле
Qп == anPrpfSp.
(2.6)
В качестве полезноrо rруза может рассматриваться rруз, перевозка
KOToporo оплачивается по тарифу. В этом случае в формуле (2.6) величина
P rp полезная полная rрузоподъемность судна, а а п коэффициент сред-
ней заrрузки.
Для пассажирских СПК: полезным rрузом являются пассажиры. Тоrда
вместо величины P rp В формулу (2.6) вводят измеритель П п количество
пассажиров, которое может перевозить судно, а а п принимает значение ко-
эффициента использования пассажировместимости. По опыту эксплуатации
отечествениых СПК: на речных линиях в среднем а п 0,74 [11].
Для rрузопассажирских СПК: провозная способность на заданном на-
правлении
( . " )
Qп == апР rp + о,lа п п п fSp'
(2.7)
Сложнее подсчитать провозоспособность СПК:, используемоrо иа несколь
ких направлениях перевозок с заходами в несколько портов. В этом случае
т k i
Qп == f i S pi [ (a P rp)ij + о, 1 (а ПП)ij]'
i lj l
(2.8)
rде т общее число линий перевозок; ki число портов захода на i-й
линии.
Зная тарифы перевозок в зависимости от расстояния, rодовую провозо
способность несложно выразить в денежном доходе.
Формулы (2.6), (2.7) и (2.8) содержат значительные элементы неопреде-
ленности вследствие Toro, что входящие в них величины для определения
количества рейсов в навиrацию и навиrационноrо периода нестабильны,.
в том числе и во времени. Нестабильны также коэффициенты использования
rрузо- и пассажировместимости, а также тарифы за перевозки.
Чтобы исключить ошибку в выборе техническоrо решения, необходимо
установить Пределы изменения определяющих величин, дать Проrноз изме-
нения их математическоrо ожидания за общий срок службы судна и оценить
закон изменеиия вероятностей отклонеиия этих величин от величины их ма-
тематическоrо ожидания. Это сложная, но необходимая задача, которую дол-
жен решить заказчик, прежде чем будет принято решение о необходимости
создани я судна.
В качестве примера формирования ФУНКЦИИ qбщественной полезности
для Судов второй rруппы приводится одна из возможных математических
Моделей для катеров охранения (поrраничный катер, катер службы рыбнад
зора и им подобные), задача которых заключается в ПреДОТвращении воз-
МОжноrо ущерба, а способ действия перехват и задержание нарушителей.
u Показателем эффективности таких катеров является вероятность срыва
д иствий нарушителя и ero задержания. Вероятность захвата нарушителя Р
о разуется как произведение вероятности обнаружения РО на вероятность
ЗадеРЖаиия Р з :
р == РоР з .
(2.9)
З7
...
Вероятность обнаружения может быть определена из следующих преk
посылок (рис. 2.1). Сторожевой катер следует вдоль охраняемой полосы,
просматривая (визуально, с помощью приборов ночноrо видеиия или радио
локационной станции) полосу поиска шириной 2d o , rде d o даль
ность обнаружения. Нарушитель при равных возможностях техНических
средств или по звуку может обнаружить сторожевой катер иа несколько
большей дистанции d H . После обнаружения сторожевоrо катера на-
рушитель кратчайшим путем (перпендикулярно пеленrу на сторожевой Ka
тер) выходит из полосы поиска. На рис. 2.1 видно, что нарушитель выйдет
из полосы поиска, если не окажется на линии a b. Вероятность обиаруже-
ния равна отношению отрезка a b к ширине поиска A B. Отсюда несложно
Рис. 2.1. Схема поиска нарушителя
1 нарушитель; 2 иаблюдательиые посты; 3 база; 4 сторожевой ка-
тер; 5 rраннца территорнальных вод (илн противОПОЛожный береr)
найти вероятиость обиаружеиия иарушителя, оказавшеrося' в полосе поиска,
по формуле
р' == 1 d H V Н
о d o V к ' (2. 1 О)
rде V H и V K скорости иарушителя и сторожевоrо катера Соответственно.
ВеЛичина вероятности обнаружения будет искомой, если курс дозор-
иоrо катера CD выбран по данным постов наблюдения таким образом, что
проходит через район нахождения нарушителя. Если постов наблюдения
иет, то курс катера Проходит в пределах охраняемой акватории (вдоль бе-
peroB реки или полосы территориальных вод). Тоrда вероятиость обиаруже-
иия
Po== ( 1 dHVH ) ,
Ш О . Р dOV K
rде Ш о . р ширина охраняемоrо райоиа.
Если иарушитель вышел из полосы поиска, то лишь первая часть за-
дачи решеиа действия нарушителя сорваиы. При обиаружеиии наруuш-
(2.11 )
з8
теЛЯ начинается второй этап действий задержаиие с целью компеисации
aHeceHHoro ущерба и возмездия. ,
н Обозначим расстояние от обнаружениоrо нарушителя в TO'lKe А (см.
рис. 2.1) до rраницы территориальных вод A E через S. Тоrда
dOV H
при S
V K V H
Рз == 1;
j
(2.12)
dOV H
при S <
V K V H
р з == О.
соотношения (2.12) дают также возможность избрать правильную стратеrию
поведения. Если вероятность задержания равна иулю, то можно, не меняя
курса, выйти за пределы видимости и, дождавшись возвращения нарушителя,
осуществить операцию задержания.
В изложенной модели имеются элементы неопределенности, связанные
с проrнозированием тенденций изменения скоростей судов, находящихся
в распоряжении нарушителей, вероятностным характером спо:оба поиска,
ошибками пеленrования постов наблюдения в условиях плохои видимости,
влиянием rидрометеоролоrических условий и т. д. Задача раскрытия неоп-
ределенности на весь период службы СПК должна предшествовать приня-
тию решения о ero создании.
t 8. Способ определения основных эпементов спк
в первом приближении
С математической точки зрения выбор rлавных размере-
ний судиа и определение ero основных элементов сводятся к составлению
и решению системы уравнений, связывающих искомые величины с требо
ваниями задания.
Количество искомых элементов судна значительно превышает чис.1!.О
уравиений, которые MorYT быть составлены на основе заданных требовании.
В связи с этим в проектировании широко практикуется использование Пред-
шествующеrо опыта проектирования, постройки и эксплуатации, отражен-
иоrо в нормативных документах, требованиях, правилах, а также использо:
ваНие приближенных формул, которые в известных пред лах с некоторои
. поrрешностью воспроизводят характер физических явлении. .
Недостаточное количество математически выражениых зависимостеи,
связывающих элементы судна с ero свойствами, определяет миоrочислен-
Ность и разнообразие приемов и способов, используемых При определении
Элементов проектируемоrо судна. Эти приемы MorYT быть объединены в две
ОСНовные rруппы: методы первоrо приближения и методы BToporo приближе-
ния. Такая rрадация в общем вытекает из сложившеЙся при проектировании
судов практики последовательноrо приближения: разработки эксплуата-
ЦИОнных (оперативных) заданий; разработки предэскизных проектов (aBaH
проектов) для обоснования технических заданий; разработК'И эскизноrо про-
еКта, техническоrо проекта и рабочих чертежей.
l"\етоды первоrо приближения позволяют установить основные взаимо
связи Между элементами судна, определить ero водоизмещение и rлавные
раЗмерения при оrранпченном количестве сведеIШЙ.
Методы BToporo приближения дают возможность производить совокуп-
иый анализ искомых элементов с целью установления наиболее целесообраз
Horo их соотношения и rармоническоrо сочетания.
Общее количество элементов судна, характеризующих ero свойства и Ka
чеСтва, в зависимости от назначения достиrает нескольких сотен (под эле-
ментом Понимается численное выражение свойства судна). К rлавным эле-
меНтам ОТносят: полезную наrрузку, определяемую назначением судна; BO
3
.
. .
доизмещение; размерения корпуса; коэффициенты и измерители, ха рактери
зующие обводы теоретическоrо чертежа; мощность ЭУ; скорость судна; даль-
ность хода; мореходность, остойчивость; непотопляемость; прочность и др.
Мноrие определяемые назначением судна rлавные элементы являются Пред-
метом задания, остальные подлежат определению.
Важность и ответственность этапа выбора rлавных размерений и OCHOB
ных элементов судна обусловлены тем, что после их фиксирования даль
нейшая сложная и трудоемкая творческая работа по созданию проектной
документации является детализацией принятых ранее решений. Основные
же свойства судна (мореходность, остойчивость, живуч сть, экономичность
И др.), во MHoroM зависящие от выбранных размерении, на последующих
этапах проектирования существенных изменений не претерпевают.
Задачей первоrо приближения является установление пределов возмож
Horo значения водоизмещения и rлавных размерений корпуса, а также BЫ
бор типа ЭУ, при которой удовлетворены основные требования задания.
В качестве метода определения rлавных элементов судна в первом при-
ближении целесообразно использовать синтетический метод, сущность ко-
Toporo, по определению акад. В. Л. Поздюнина, заключается в том, что
оценку rлавнейших масс, составляющих водоизмещение, производят по на-
rрузкам разных судов с учетом особенностей проектируемоrо судна.
В расчетах первоrо приближения определению подлежат:
водоизмещение D;
размерения корпуса L, В, Н;
осадка Т;
мощность и тип механизмов.
Для отыскания этих неизвестных используют систему из шести осиовных
уравнений: уравнений масс, плавучести, непотопляемости, прочности, хо,/("
кости, вместимости.
Коэффициенты теоретическоrо чертежа и соотношения размерений в пер-
вом приближении назначают на основе имеющеrося опыта. В качестве ис
ходных данных для проектирования используют требоваиия задания к сле
дующим характеристикам:
назначению;
rрузоподъемности, пассажировместимости (состав вооружения для
кораблей BoeHHoro назначения);
скорости полноrо, эксплуатациониоrо (крейсерскоrо) хода и скорости
судна в водоизмещающем положеиии;
. дальности хода;
мореходности и др.
Уравнение масс связывает массу каждой составляющей части судна с ero
размерениями i:I требованиями Задания. По существу, это уравиеиие яв-
ляется основным при решении задачи выбора rлавных элементов в первом
приближении.
У равнение плавучести связывает rлавные размерения ПОДводной части
судна с ero водоизмещением.
Уравнение непотопляемости позволяет определить соотношение высоты
борта и осадки, при котором обеспечиваетс сохранение судна иа плаву при
затоплении эквивалентноrо отсека заданнои длины.
Уравнение прочности связывает внутренние напряжения в сечениях
продольных связей корпуса и площадь сечения эквивалентноrо бруса с внеш-
ними силами, действующими на судно в заданных условиях Плавания. Это
уравнение в дальнейшем используется для определения массы корпуса к
входит в уравнение масс.
У равнение ходкости связывает мощность механизмов с rлавными раз-
мерениями, водоизмещением, заданной скоростью и мореходностью. В даль-
нейшем это уравнение используется для нахождения массы механизмов и
топлива при решении уравнения масс.
У равнение вместимости позволяет найти такие сочетания rлавных раз:
мерений корпуса, при которых обеспечивается минимально необходимыи
объем судна для размещения Перевозимоrо rруза (вооружения), приборов.
40
ЭУ, систем, устрuойств, цистерн для жидких rрузов, кладовых и прочих су-
довых помещении. u
Используемые в судостроении методы расчетов являются в различиои
степени приближенными как в силу недостаточиой rлубины научноrо про-
fJикновения в явления ввиду их сложности, так и в связи с отсутствием спо-
собов точноrо решения практических задач.
В теории проектирования судов кроме приближенных методов корабле
строительных наук широко применяются также статистические и эмпириче-
ские зависимости элементов судна, выявленные в результате обработки обез
Jlиченноrо статистическоrо материала по судам различных типов и назначе-
ний методами корреляционноrо и реrрессионноrо анализа.
Поrрешности, вносимые неточностью расчетных методов, различным
образом сказываются на свойствах проектируемоrо судна, Приводя к uраз
бросу ero характеристик по сравнению с проrнозируемыми в проектнои до-
кументации. На разброс характеристик основных элементов судна влияет
также неоднозначность, обусловленная производственными допусками в про-
цессе постройки судна на верфи. Для исключения с:пасных ошибок в paK-
тике проектирования используется так называемыи «конструкторскии за-
пас» величина KOToporo зачастую принимается произвольно, без должноrо
:анал'иза. Научному обоснованию необходимой и достаточной величины кон-
структорских запасов уделяется незаслуженно мuало внимания, XOT COBpe
менное состояние развития теории вероятностеи и математическои стати-
стики дает возможность теоретическоrо решения этой задачи. В конечном
счете математическая модель проектирования СПК в первом приближении
представляет собой систему реrрессионных уравнений, раскрывающих cy
щество указанных выше шести основных уравнений (функционалов).
8.1. Уравнение ходкости
Мощность rлавиых двиrателей определяют по формуле
N;::= rDV ,
К1]
(2.13)
rде К коэффициеит, зависящий от системы измерений мощности. При
N в л. с. К == 75, при N в кВт К == 102.
Для расчета сопротивления СПК достаточно иметь кривую ero относи-
тельноrо сопротивления. В первом приближении можно принять за кривую
СОпротивления кривую БЛi'!зкоrо прототипа, т. е. судна близкоrо водоизме-
щения, с такой же относительной скоростью и близким отиошеиием
h B : (D/у)I/З.
Таблица 2.1
Среднестатистиotеские соотношения характерных
дпя спк скоростей
V r : V з V з : V o V r : V a
Назначенне судна I I
, Среднее Пределы Среднее Пределы Среднее
I
Пассажирс ое . 0,5 I,O I,21 1,15 0,5 0,75 0,6
.
Воениое о,4 1,3 I,8 1,50 0,5 O,75 0,6
41
.
На рис. 2.2, 2.3 и 2.4 приведены кривые относитеJIьноrо сопротивлення
некоторых СПК, которые можно использовать в расчетах nepBoro приближе
ния. Для облеrчения выбора ближайшеrо прототипа можно воспользоваться
диаrраммой иа рис. 2.5.
При отсутствии близкоrо прототипа кривая относительноrо сопротивле
. иия может быть построеиа на основе обобщения и анализа статистическоrо
материала по построенным СПI(. Ниже изложены схемы подхода к решению
этой задачи. '
т'
ар
10
op.J o
5
fr
Рис. 2.2. Кривые относительноrо сопротивления СПК
1 сБуревестннк»; 2 «Беларусь-В"; 3 «Беларусь,.; 4 «Ракета,.:
5 «Ракета-М,.; 6 «Внхрь,,; 7 «Комета,.; 8 «Тайфун»
Исходными для построения кривой сопротивления являются водоизме-
щение судна, задаваемые Заказчиком эксплуатационная скорость V Э и море-
ходность (высота волны h B ). Соотношения скоростей СПК V э , V o и V r , со-
ответствующие точкам э, о и а кривой на рис. 2.2, по статистике находятся
в пределах, приведенных в табл. 2.1.
Относительное сопротивление, как это видно из рис. 2.6, для эксплуа-
тационной скорости коррелировано со Скоростью.
Если принять 11 0= 0,6, то с квадратичной поrрешностью == 14% от-
иосительное сопротивление при эксплуатационной скорости судиа может
быть определено по соотношению
'э == А V э , (2.14)
rде А коэффициент пропорциональности, прииимаемый по табл. 2.2. Пу-
тем сТатистической обработки установлена также корреляционная связь
между минимальным относительным сопротивлением судна. в момеит отрыва
42
корпуса от воды, _относительной скоростью и основными характеристиками
крыльевоrо устроиства. Уравнение реrрессии имеет вид
Fr l\
'0== х+О.7л+5.5Ь/h 0.28УD ' (2.15)
еде л == (<РАН + AK)/(l + ёjj) средний относительный размах крыльев;
Ь === [qJь и + Ь к )/(1 + ij) средняя хорда; h 0= (!jJ/ZH + h K )/(1 + ip) сред-
нее уrлубление; х коэффициент (для несрывных крыльев х == 24,0, для
срывных крыльев х 0= 17,0).
т'
015
,
6
F7".d
010
ор.5 О
Рис. 2.3. Кривые относительноrо сопротивления СПК и КПК
1 «Чайка,. (СССР); 2 катер «Волrа,. (СССР); 3 экспериментальное судно
«Бра Д'Ор:> (Канада); 4 «Денисон" (США); 5 «Аквастрол» (rолландня); 6
«Си Леrс,. (США, крылья по типу «Хай Пойнт»); 7 сХай Пойнт,. (США); 8
РТ-20 (Швейцарня); 9 «Спутник,. (СССР); 10 «Метеор» (СССР)
Формула (2.15) для несрывных крыльев дает среднеквадратичную по-
rр / ешность (1r == 3,6% и применима в пределах: Fr l\ == 2,2 + 5,0; А 0= 3 + 10;
Ь h == 0,3 + 5,0.
Результаты статистической обработки показаны на рис. 2. 7. Относи
теЛьное сопротивление судна, Движущеrося на крыльях, с ростом скорости
увеличивается. Если бы дифферент судна и заrлубление крыльев не менялись,
те СОПротивление возрастало бы пропорционально квадрату скорости. В дей-
СТ б Вительности эта зависимость сложнее и для каждоrо СПК имеет свои осо-
енности.
В первом приближеиии для скоростей, больших чем V о, допустимо при-
IfИмать за сопротивленне математическое ожидание, найденное путем стати-
43
.
0.31
...о...
.,.
025
,
r:::c.
I \ \ I
\ /
\ 1\ , /
\ \ 1 /
/ 12
I ,\
I /V
I '...."... \ /
I \ /'
/ ...............
I
1/
I
. б ffX\ / 4/ <3
' Х //
l---\i 'l/'-7
7У 5 ;..'
020
,
0,15
0,10
о
2
'r
7
FrA
Б
J
.5
Рис. 2.4. Кривые относительноrо сопротивления СПК и КПl(
1 «Нептун» (ФРr. на осноВе aMepHKaHcKoro проекта КПI< «Плейн
вью»); 2 I<ПК ПЛО водонзмещением 550 т (США, фирма ,Локхид»,
проект); 3 ХСН.6 (США. крылья супервентнлнруемые); 4 VS'B
irермания); 5 ,Стрела» (СССР); 6 РТ-50 (Швейцария); 7 РТ-l()
(Швейцарня); 8 КПК пло .Бра Д'Ор» (Канада, h B 1,8 м)
. ,
стической обработки известных кривых сопротивления построенных СПК.
в табл. 2.3 приведены результаты такой обработки для несрывных крыльев
при определении 'о по формулам (2.15) и (2.14), последняя дает приближенноео
hg
wh
0,8
,,10 18
0,7 АII
I'//;'///// З/ 2 //// /"//////////- ///,
ар 80 AIJ .....
05 7 1'f 15 16 А 17 ::::::
, //////////P////////////- I'///////////' 1'///0
olf 't 6
J J O I
0,3 ://////////////1:1//////// :////////////- :////-
1 190
0,2 200 .....
0,12
'f
5 Frl
3
Рис. 2.5. Поле «прототипов»
1 речные СП К; 11 озерные н при-
брежные СПК; 111 морскне СПI<;
1 v океанские СПК
1 «Беларусь» (СССР); 2 .Ракета»
(СССР); 3 .Внхрь» (СССР); 4 VS-8
(rермания); 5 «Спутннк» (СССР); 6
«Метеор» (СССР); 7 ,Комета» (СССР);
8 «Стрела» (СССР); 9 .Хай Пойнт»
(США); 10 «Нептун» (ФР[); 11
.Пеrасус» (США); 12 РТ-50 (Швей-
царня); 13 «Бра Д'Ор» (Канада);
14 РТ-20 (Швейцарня); 15 .Тай-
фун» (СССР); 16 .Буревестник»
(СССР); 17 «Денисон» (США); 18
I<ПI< водоизмещением 550 т (США,
проект); 19 .Волrа» (СССР); 20
«Чайка» (СССР)
Т/'Т/
05,
. ,
(}J
...
0,3
...
0,2
100
150
V,IfМ/Ч
Рис. 2.6. Зависимость относительноrо
сопротивления от скорости СПК;
1 супервентнлируемые крылья (по резуль-
татам испытаннй моделн СХН-6, США). 2
крылья HecpbJBHoro профиля
значение относительноrо сопротивле
ния при эксплуатационной скорости
(осредненно дЛЯ СПК и КПК V о::::: 0,8 V
или V з :::::: 1,3 V o ). .
Перемножая коэффициенты BTO
poro столбца табл. 2.3 и относитель-
ные сопротивления, найденные по формулам (2.15) и (2.14) соответственно,
можно построить кривые математическоrо ожидания сопротивления судна
в функции от скорости на участке от V о И выше.
Таблица 2.2
Значения
коэффициента А
СКорость I
I<рылья
несрывные
супервен-
тнлнруемые
V, м/с
V, уз
V, км/ч
5,0.10 3
2,6.10 3
1 ,4.10 3
8,O.10 3
4, 1.10 3
2,2. 10 3
Рис. 2.7. Зависимость сопротивления
ДВижению СПК от скорости и элемен-
тов крыльев
1 неСРЫвные крылья; 2 срывные
крылья
Fr" a7 л +0 ?8Vl5
Ро ' ,
50
40
J(}
2
q.
J
b/
J
45
.
Таблица 2.3
Среднестатистические данные Для расчета
кривой сопротивпения спк
V 1
V o
Среднеквадратич
ное отклонение
О'к'%
r,: ro, Э
при степени
достоверностн
v O.8
k. 2
t r о.э
Прн определенин '0 по формуле (2.15)
1,0 1,00 О
1,1 1,04 2,0
, 1,2 1,10 4,8
1,3 1,15 7,1
1,4 1,22 9,3
1,5 1,30 11,4
1,6 1,36 13,5
1,7 1,44 15,6
При определеиии '9 по формуле (2.14)
0,8 0,84 6,3
0,9 0,93 3,3
1,0 1,00 О
1,1 1,09 2,7
1,2 1,19 5,5
1,3 1,28 8,4
1,05
1,09
1,17
1,23
1,33
1,43
1,50
0,95
1,08
1,16
1,26
] ,39
1,50
Сопротивление на «rорбе» зависит от характера обводов и соотношений
ero размерен ий. Знание этоrо сопротивления нужно для проверки правиль
ности выбора мощности ЭУ с целью обеспечения выхода на крылья судна
в полном водоизмещении на заданной волне. Относительное сопротивление
на «rорбе» может быть определеио из соотношения (см. rл. IV):
!I... == 1,23+ ( 1 ) 2. (2.16)
'0 C
Среднеквадратичная ошибка формулы (2.16) равна 9,6%.
На скоростях, меньших V о' кривая сопротивлеиия может быть построена
rрафически по типу синусоиды. Множители для '0 MorYT быть определены
по зависимостям
V==O,6V o 'r \
при '06== ;
, '0
O,5V o и O,7V o ,
при '0 5f() 7 == О,85......!:. + 0,15:
, t '0
(2.17)
при O,8V o '08 == О,5.!!:.. + 0,5:
, '0
при O,9V o '09== О,15.!!.. + 0,85.
. '0
Истииная кривая сопротивления с равной вероятиостью может ока-
заться ниже (безопасный случай) и выше ее математическоrо ожидания.
В практике проектирования иесомиенный интерес представляет вопрос иор-
46
мироваНИЯ запасов мощности механизмов с це,1ЬЮ исключения ошибок, MO
rущИХ приВести к пересмотру состава ЭУ СПК на последующих стадиях ero
проектирования. Поэтому в расчетах первоrо приближения по желанию
конструктора может быть принят запас сопротивления, величина KOTOpOr?
зависит от принятой достоверности расчета 'Il [1] и среднеквадратичнои
ошибки найденной величины сопротивления.
Среднеквадратичная ошибка сопротивления для каждой расчетной точки
может быть определена по формуле
cr r1 == V(cr r ?+ (cr K )2+ (Оу)2,
'(2.18)
rде a v среднеквадратнчная ошибка (%) распределения абсциссы (искомой
скорости).
Зависимость составляющих квадратичных ошибок и суммарной средне-
квадратичной ошибки, найденной по формуле (2.18), от скорости при исполь-
зовании приведенных выше формул отобра-
жена на рис. 2.8. B . ,,'Уо
Используя кривые б и 8 (рис. 2.8), не- 2а '
трудно для достоверности расчета 'Il == 0,8
найти относительные сопротивления
( , i ) ( , i ) ( а r ) (2 19)
== 1+084 ..
'0 '\FO.8 '0 v o,5 ' 100
Рис. 2.8. Зависимость среднеквадратичной
ошибки в фуикции от скорости
I a V при использоваиии формулы (2.14); 2 ах
.110 табл. 2.3; 3 а к по табл. 2,3; 4 a v прн ис-
пользоваиии формулы (2.15); 5 (Jr по формулам
(2.15) и (2.16); б a r по формулам (2.15) и (2.18);
7 cr r по формулам (2.14) и (2.16); 8 cr r по фор-
мул ам] (2.14) и (2.18)
J
J
V r
2V o
Для движущеrося на крыльях судна рассчитанные по формуле (2.19)
данные приведены в последнем столбце табл. 2.3. Сопротивление СПК при
V r, найденное по формуле (2.16), в аналоrичных условиях ('Il == 0,8) увели-
чивается в 1,12 раза, в интервале скоростей от V r до V o используют линей
иую интерполяцию.
В зависимости от типа и расчетной скорости движителя ero КПД 1')
может быть принят по приведенным rрафикам (см. рис. 3.36 3.38) с после-
дующей проверкой запаса тяrи на «rорбе» сопротивления.
Окончательно потребную мощность механизмов на эксплуатационной
скорости определяют по формуле
,эDVэ
N 9 ==
K'I'j
(2.20)
IJI
8.2. Уравнение (функционал). вместимости
В общем виде уравнение вместимостн представляет co
бой равенство объема корпуса П7 к и надстроек w и потребиому суммариому
объему судовых помещений:
W к + IV п == v t . (2.21)
47
По назначению, характеру размещаемых rрузов, запасов и устройств
судовые помещения MorYT быть разбиты н а несколько rрупп:
помещения, предназначенные для перевозимых rрузов (вооружения)
и от размерений судна прямо не зависящие;
помещения для размещения экипажа судна;
помещения для размещения энерrетических систем и сопутствующих
им запасов;
общесудовые помещения, размеры которых определяются водоизме-
щением судна.
8.2.1. Независимые объемы Vнез. К: этой rруппе относятся пассажирские
помещения (салоны, буфеты, продовольственные и вещевые кладовые, трюмы
для перевозимоrо rруза, санитарно rиrиенические помещения, выrородкп
вентиляторов и кондиционеров, обслуживающих пассажиров), посты, хра-
нилища боеприпасов и друrоrо BoeHHoro имущества (на боевых кораблях).
Общая площадь пассажирских салонов определяется соотношением
Sc == ksп п , (2.22)
rде k == 1,3 коэффициент, учитывающий наличие поперечных проходов
и сужение обводов в оконечностях (среднеквадратичное отклонение коэффи-
циента k от средНеrо значения равно 5%); Пп общее число перевозимых
пассажиров; s площадь, приходящаяся на одно кресло
s == 1 ( Ь + Ь п р ) ,
(2.23)
тде 1, Ь размеры кресла (с проходом); m число продольных проходов;
k 1 число кресел в поперечном ряду; Ь пр ширина продольноrо про-
хода. Размеры участка палубы, ПрИХодящеrося на одно кресло, находятся
в пределах: 1 == 0,85..,.. 1,00 м; Ь == 0,53 + 0,6 (меньшие размеры характерны
для туристских СПК: с продолжительностью рейса менее 4 ч).
При числе пассажиров более 100 чел. на судне оборудуются буфеты и
продовольственные кладовые, общая площадь которых находится в пределах
от 0,04 до 0,07 м 2 /чел. (в среднем 0,055 м 2 /чел. при квадратичном отклонении
10%). На 50 55 пассажиров оборудуется один туалет с умывальником
площадью 1 ,4 1,6 м 2 . Для ручной клади в салоне предусмотрены баrажные
сетки, а перевозимый rруз и баrаж размещается в кладовых, оборудованных,
как правило, в трюме.
К:рупные пассажирские СПК: MorYT транспортировать личные автома-
шины (СПК: PT 150ДC фирмы «Супрамар», СПК: «Нептун», ФРr). Площадь
rаража в этом случае
Sr == (2..,.. 2,5) mlb j
(2.24)
тде m число перевозимых автомашин; 1, Ь rабариты автомашины. Ko ,
личестВо перевозимых автомашин должно быть oroBopeHo в задании.
Удельный объем выrородок вентиляторов и кондиционеров из расчета
на одноrо пассажира 0,05 0,07 м 3 /чел.
К: независимым объемам относятся посты и рубки связи, навиrации,
управления судном и специальными устройствами, хранилища специальных
запасов и др. Площади и объемы этих Помещений либо задают, либо опреде-
ляют по техническим условиям. К: rруппе постов следует отнести и ходовую
рубку, площадь которой коррелирована с водоизмещением и может быть
с квадратичной поrрешностью в 18% определена по формуле
Sp == kрD 1 / З , (2.25)
I'де kp' коэффициент пропорциональности, в среднем для морских СПК:
kp == 2,6, для речных СПК: kp == 1,3.
8.2.2. Объемы для экипажа 11 (n). К: помещениям экипажа относятся
ЖИЛые, культурно просветительные, продовольственно-пищевые и санитар-
ные помещения. Площади их пропорциональны численности экипажа.
48
Руководящими материалами реrламентируется нормирование площадей
помещений экипажа в зависимости от назначения и величины судна, а также
катеrориИ личноrо состава. Общая площадь помещений экипажа
SЭ == К кnк. + KTn r + кмп м .
(2.26)
rде Кк, Кт, КМ нормы площади на человека; п к , п т , п м число лиц ко-
мандноrо (офицерскоrо), среднеrо техническоrо (старшинскоrо) составов
и матросов соответственно. При подсчетах норм площади на человека необ-
ходимо производить оценку квадратичной поrрешности.
8.2.3. Объемы энерrетических отсеков 12 (N). Объем отсеков, занятых
ЗУ, электростанциями, запасами топлива и друrих жидких rрузов, зависит
от мощНОСТИ и типа ЭУ и дальности хода.
Объем машинноrо отделения с квадратичной ошибкой в 17% может быть
принят пропорциональным полной мощности механизмов
V M . О == К N .
(2.27)
rде коэффициент пропорциональности К == 0,026 м 3 / л. с. (0,035 м 3 /кВт)
для дизельной установки; для дизель rазотурбинной установки
К == 0,028 м 3 /л. с. (0,038 м 3 /кВт); дЛЯ [ТУ без двиrателей малоrо хода
К == 0,017 м 3 /л. с. (0,023 м 3 /кВт).
Воздухоприемные шахты и дымоходы для дизелей по сечению невелики
вследствие небольшоrо расхода воздуха. При [Т Д расход воздуха оказы-
вается значительным (3 6 Kr/c на 1000 л. с.). Вследствие этоrо шахты приема
воздуха, а также дымоходы MorYT занимать в корпусе значительные объемы.
Площадь сечения воздухоприемной шахты может быть подсчитана по фор
муле
R'QB (273 + tO).
р== N,
(2.28)
VBP
rде R' == 29 27 rазовая постоянная (для воздуха); QB уде.1JЬНЫЙ се-
кундный pac oд ВОЗДУХа, кr/(с.л. с.) [Kr/(c'KBT)]; t" температура наруж-
Horo Воздуха, ОС; и в скорость воздуха в шахте, м/с; Р == 10 300 Kr';;!M 2
атмосферное давление. Скорость воздуха в шахте принимается равнои при-
мерно 20 м/с.
Площадь сечения дымохода можно подсчитать по той же формуле (2.28),
однако в этом случае удельный секундный расход воздуха увеличивается
На удельный секундный расход топлива, температура t" принимается равной
примерно 4000 С (температура отходящих rазов) и скорость rазов может быть
ПРИНЯТа в 1,5 2 раза большей скорости воздуха в шахте воздухоприемника.
Протяженность воздухоприемных шахт и дымоходов в корпусе (следо-
вательно, и их потребный объем) заВИСИТ от конструктивных особенностей
Проектируемоrо судна и ero компоновки.
Объем топливных отсеков зависит от количества топлива и способа ето
Хранения
R
VT == 1 ,6.10 3kт QN э ,
V Э
(2.29)
rде k T коэффициент, характеризующий способ хранения топлива (при
размещении топлива в корпусных цистернах k T == 1,05; при размещении
топлива во вкладных цистернах в топливных отсеках k T ;::::; 2,6); R даль-
ИОСть Хода. В формуле (2.29) коэффициентом 1,6 учитываются объемная масса
орrаническоrо топлива, запасы объема цистерн и смазочноrо масла, COCTaB
JIЯЮщие СОответственно примерно 10 и 15%. Поrрешность формулы (2.29)
()БУсловлена в основном поrрешностью определения конструктивноrо
49
коэффициента k T , удельноrо расхода топлива и мощности rлавных механизмов
на эксплуатационной скорости
а т "" VC U K)2+ (a q )2+ (a N )2.
8.2.4. Объемы, зависящие от водоизмещения 1з (D). К общесудовым по-
мещениям относятся пики, отсеки для размещения судовых устройств (якор-
Horo, рулевоrо), отсеки, обеспечивающие непотопляемость судна,. коридоры,
тамбуры, объемы, нерационально используемые из-за особенностеи конструк-
ции корпуса (наклон борта, подъем палубы,
сужение обводов, килеватость и т. п.).
Объем форпика и ахтеРПlика зависит
от водоизмещения судна и МОЖ1ет быть най-
ден из соотношения вида
vп==kпD, (2.31)
rде коэффициент пропорциональности k п
в среднем составляет:
для суммариоrо объема пиков пас-
сажирских СПК 0,45 м 3 /т;
для форпика КПК 0,1 м 3 /т;
для cYMMapHoro объема пиков КПК
0,25 м 3 /т.
Среднеквадратичное отклонение объема
пиков от найденноrо по фОРlмуле (2.31)
оценивается примерно в 25%.
в форпике, как правило, полностью
размещается носовое икорное устройство,
а в ахтерпике рулевое уст:ройство, до-
полнительных объемов эти устройства не
требуют.
Удобство обслуживания, а также тре-
бование обеспечения безопасности пассажи-
ров на СПК предопределяют расположение
салонов на r лавной палубе и в надстрой-
ках. rлавная палуба (палуба переборок)
располаrается на такой высоте от основной
плоскости, при которой обеспечивается не-
потопляемость судна при заданном коли-
честве затопленных отсеков.
Объем корпуса до палубы переборок ориентировочно можно оценить
по формуле
(2.30)
f(Y)
J
\
"-
"
"
2
о
0,1 I
0,* 0,5
p H
0,2
o,J
Рис. 2.9. Зависимость норми-
роваиноrо отклонения от сте-
пени (вероятности) риска
Vп. п == [1 + ( Н ;п 1 )}
(2.32)
Объем корпуса, обеспечивающий заданную непотопляеМlОСТЬ, может
оказаться достаточно большим. В этом случае он должен быть рационально
использован для размещения топлива и друrих жидких rру.зов, баrажа,
продовольствия и прочих запасов.
Если высота трюма окажется достаточной, то под палубой MorYT быт!>
размещены ЭУ, электростанции, помещения команды и даже часть пасса-
жирских помещений (в пределах rлавных водонепроницаемых отсеков). На
КПК подпалубный объем используется также для размещения боев ых по
стов И поrребов боеприпасов.
Прежде чем окончательно определять потребный объем судна, надо на-
метить принципиальную ero компоновку и в соответствии с ней произвести
подсчет потребных объемов соответствующих rрупп помещений. В общем
случае уравнение потребноrо объема корпуса может быть записано в виде
\V к == v нез + 11 (п) + 12 (N) + 1з (D) w и + !-,. W к, (2.зЗ)
50
rде !-,. W K запас кубатуры, принимаемый для компенсации возможных от-
клонений объемов отдельных помещений в опасную сторону при дальнейшем
проектировании.
Численно запас кубатуры пропорционален квадратичной ошибке по
требноrо объема судна
!-"Wк==f(р)u w ' (2.34)
rде 1 (р) нормированное отклонение или миожитель, зависящий от досто-
верноСТИ расчета 'Il [1]; O'w квадратичная ошибка в определении потреб-
иоrо объема.
НормироваНllое отклонение 1 (р) может быть принято по rрафику
(рис. 2.9) в зависимости от степени риска р == l v. Для расчетов первоrо
приближеиия степень риска р == 0,2.
""" ""' .........
,
""
3IL
тр
3
В СК
2
8тр
2
L m
Рис. 2.10. Строевая по шпанrоутам для полноrо объема корпуса
1 строевая; 2 парабола; 3 эскиз поперечных сечений судна по ми-
дель-шпанrоуту и траицу
Переход от найденноrо по формуле (2.33) объема корпуса к ero размерам
МОжно осуществить, например, следующим путем. Строевая по шпанrоутам
для корпуса (рис. 2.10) заменяется квадратичной параболой, проХодящей
через три фиксированные точки, соответствующие площади транца, мидель
Шпанrоута, и через нулевую точку.
По формуле Симпсона для этих трех точек
L m )
W K т (400 т +fOтр .
(2.35)
Если пренебречь килеватостью днища у транца и принять уrол развала
борта иеизменным, то в соответствии с приведеиными на рис. 2.10 схемами
ПJlощади шпаиrоутов можно записать
( tg O ) ( tg O ) 2 6.
ООт ==Вск Н BCK + H BCK tgy,
( tg O ) ( tg O ) 2
ООтр == В тр Н """""2 в ск + н В ск tg 1'0.
]
(2.36)
51
Если дополнительно положить
Вс р
II. .
r '
Век
В СК + В тр
Вср ==
2
W K
x== .
В СК
а также предварительно для простоты расчета принять L:п == 6 Век' то по
требную высоту борта можно найти из равенства
1
I
(2.37)
rде
v Ь 2 + 4ас Ь
Н' == Век;
2а
Н , == Х + (Ii + +) tg O
при 1'0 == О В СК .
2ft + 3
Ь == 3 + 2/i 5 tg Otg 1'0; а == 5 tg 1'0;
( 1 ) 5
с == Х + ft +"2 tg O ""4 tg 2 O tg 1'0.
при 1'0 + о
Если найденная по формуле (2.37) высота борта н' по конструктивным
соображениям должна быть изменена до Н пр , то соответственно изменяют
длину судна до L m таким образом, чтобы сохранялось неизменным произве
дение L Н === L m ' н' === сопst. В этом сл у чае объем корпуса не изменится.
т пр
Ширину судна ПРИНlIмают наибольшей из условий обеспечения минималь-
Horo сопротивления в переходном режиме и начальной остойчивости в водо-
измещающем положении судна. Окончательно ширину уточняют во втором
приближении при разработке чертежей общеrо расположения. Первое ус-
ловие (минимум сопротивления) удовлетворяется при
i/ (l k)D
В СК == У ( о.25+0,16 Vr ')
VgV (l k) D/i' !
(2.38)
rде k <о: 0,25 (для СПК) и k <о: 0,15 (для КПК). Второе условие (иачальная
остойчивость) дает ширину по К:ВЛ
В == I.... ... / k 2 б ( k3 + hмтц
а V Т т
б:а )"
(2.39)
Здесь коэффициенты k 1 . k 2 и k3 находят статистической обработкой проект-
иых данных
== МО [ Zc (;: а) ];
( B a2 )
k 2 ==MO ;
рТб
ks == МО ( ).
( 2.40)
В формуле (2.40) Zg определяют для судна с поднятыми крыльями, если
крылья приняты подъемными. Выбранные в первом приближении размеры
корпуса судна подлежат уточнению после разработки чертежей и схем об-
щеrо расположеиия.
Пределы значеиий коэффициентов теоретическоrо чертежа и соотиоше-
ннй rлавных размерений приведены в rл. IV (табл. 4.1).
Входящая в формулу (2.39) начальная поперечная метацентрическая
высота hмтц оrоваривается в задании. Если заданием она не реrламеитиро
52
вана, то следует воспользоваться требованиями Кодекса безопасности [40],.
соrласно которому остойчивость СПК в водоизмещающем режиме должна'
быть такой, чтобы на тихой воде отклонение судна от rоризонтали не пре-
вышало 80 в любом направлении при всех допускаемых случаях наrрузки
и возможных неконтролируемых перемещениях пассажиров. В этом случае-
h РпассВ8
МТЦ ;;:.
2D
rде р пасс масса пассажиров; 8 === 0,141 (80).
rлавные размерения СПК MorYT быть определены и традиционным спо-
собом прочерчиванием отдельных определяющих отсеков (пассажирский
салон, энерrетический отсек, ходовая рубка и др.) и составлением компоно-
вочных схем. Исходя из стандартных размеров кресел, шаrа расстановки
их вдоль судна, ширины прохода, толщины бортов с набором и зашивкой,
можно определить ряд дискретных (в зависимости от числа кресел в ряду!
величин ширины судна и длины салона.
Используя соотношения между длиной салона и длиной судна частных
прототипов, можно определить пределы возможной длины судна. Высота
борта судна складывается из высоты борта до палубы переборок Н п . п и вы-
соты межпалубноrо пространства пассажирскоrо салона.
Полученные варианты размерений СПК: проверяют на соответствие урав-
нению вместимости (2.33), условию минимума сопротивления (2.38), условию.
начальной остойчивости (2.39). При этом удовлетворение равенства объема
корпуса ero потребному объему (2.33) безусловно Необходимо. Это дости
rается путем HeKoToporo изменения длины судна, соотношений размерений,.
коэффициентов теоретическоrо чертежа (в пределах их значений, приведен-
ных в табл. 4.1). Необходимость соответствия объема корпуса потребному
ero объему определяется требованиями рациональноrо проектирования. Не-
достаток объема вообще недопустим. Излишки объема, напротив, свидетель
ствуют о нерациональности конструкции с точки зрения утилизации водоиз-
мещения.
Традиционный способ определения размерений СПК приводит к повы ,
шению трудоемкости caMoro процесса проектирования, особенно при оптими
зации элементов в намеченной области исследования. к: этому способу сле-
дует обращаться как к проверочному для уточнения компоновки судна и ero.
отдельных элементов в корпусе с выбранными размерениями и коэффициен-
тами формы.
8.3. Уравнения непотопляемости,
плавучести, IJРОЧНОСТИ
Требования непотопляемости сводятся к обеспечению'
ПОложительиой величины надводноrо борта при затоплении эквивалентноrо
Отсека, положительной остойчивости и уrла крена, не превышающеrо реrла
ментируемоrо нормативными документами. Высота борта судна должна пре-
ВЫшать аварийную осадку на величину, определяемую действующими Tpe
бованиями.
Если требованиями реrламентируется минимальный надводный борт
аварийноrо судна дн, то уравнение непотопляемости может быть представ
лен о в виде
Hi tiH=== Т+ tiT+"IjJ(Xi x'f),
(2.41)
rде Hi высота борта до палубы переборок на i-M шпанrоуте, расположен
Ном на расстоянии Х; от Миделя; ti Т изменение осадКИ от затопления эк-
В ц ивалентноrо отсека 10L; "IjJ дифферент аварийноrо судна; х'! абсцисса
Т деЙСтвующей ватерлииии.
53
Наибольшая осадка, а соответственно н требуемая высота борта при за
"Топлении эквивалентноrо отсека, оказывается в оконечностях, т. е. прн
Хе == Ц2.
Наихудшее положение эквивалентноrо отсека по длине судна, при ко-
"Тором осадка оконечностями оказывается наибольшей, зависит от характера
обводов корпуса. Для СПК, корпуса которых, как правило, имеют остро-
скулые образования и уширенную кормовую оконечность, заканчиваю-
щуюся транцем, наихудшим случаем является затопление отсека, примыкаю-
щеrо к транцу. Осадка кормой при этом, как видно из рис. 2.11, окаЗЫВается
Тх!то
.3,0
2,0
o..lfO
l/l
Рис. 2.11. Ориенти-
ровочная зависимость
осадки кормой от
длины затопленноrо
отсека ([о == l! L)
O
(J,JO
020
D,fO
нанбольшей. Этот rрафик построен на основе расчетов непотопляемости для
типовых теоретических чертежей СПК при коэффициенте проницаемости за-
тапливаемых отсеков !!о == 0,7; 0,8; 0,9.
Зная размерения судна и форму обводов теоретическоrо чертежа, не-
сложно по формулам для отсека 3 й катеrории (затоплениоrо не полностью
и сообщающеrося с забортной водой) найти наихудший случай затопления
и определить потребную высоту борта или отношение высоты борта к осадке.
при котором обеспечивается непотопляемость судна.
В начальной стадии определения основных элементов СПК можно при-
нять осредненное отношение высоты борта к осадке в функции от заданной
относительной длины симметрично затопленноrо эквивалентноrо отсека с по-
следующим уточнением на дальнейших стадиях проектирования.
Если равенство (2.41) по член но поделить на Т, то уравнение непотопляе-
мости можно привести к виду
Н п . п == Т К ( 1 + дН ) .
Т Т Т К
(2.42)
54
Отношенне ДН/Т К может быть принято в пределах O,I O,2, а верхняя
rраница заштрихованной области для !!о === 0,8 на рис. 2.11 может быть ап
проксимирована кубической параболой вида
Т к == 1 + 2,4[0 + 12108.
Т
(2.43}
Окончательно уравненне непотопляемости для расчетов nepBoro при-
ближения принимает вид
Нп. n == 1.15 (1 + 2.410 + 12l08).
Т .
(2.44}
При затоплении эквивалентноrо отсека в средней части судиа ero осадка
т Ш == Т + дТ
lо ш
rде Д Т == l Т.
a ,p'
Приияв дН/Т Ш == 0,15, леrко получить ПОЛl)жение палубы переборок
при затоплен ин в средней части судиа
н .п ===1.15(1+
lо ш ) .
a lo
(2.45)
Потребная высота борта до палубы переборок в средней части всеrда меньше,
. чем в оконечностях. Это обстоятельство может быть использовано для ра-
циональноrо размещения палубы непотопляемостн.
у равнение плав учести
D === "(БLВТ
(2.46)
позволяет найти соотношение коэффициента Полноты ВОДоизмещеиия б и
осадки судна в водоизмещающем положении. Остальные размерения опреде
лены ранее из уравнений ходкосТи (В) и вместимости (L).
В первом приближении без большоrо ущерба для точности можно При
нять В Вск, а длину по КВЛ (L) в виде некоторой доли от наибольшей
(L m ). Тоrда
D
Тб== .
"(BL
(2.47)
Наибольшую величииу осадки определяют по формуле (2.44), как долю ра-
иее иайденной по формуле (2.37) высоты борта. Из уравиений (2.44) и (2.47)
леrко получить
" 1.15D(I+2,4Z o + 12l 08)
U .
"(LBHn. n
(2.48}
Выбрав уrол развала борта "(О и уrол внешней килеватости днища на
МИделе O, можно уточнить ширину судна по ватерлинии
В===Вск+( T B K tg O)tg"(o.
(2.49)
Если поправка [второй член правой части равенства (2.49)] невелика.
то можно оrраничиться первым приближением. В противном случае вычис
ления по формуле (2.48) повторяют.
55
Уравнение прочности устанавливает связь внешних сил, действующих
на судио, с внутренними напряжениями, возникающими в связях корпуса.
В общем виде уравнение прочности имеет вид
М тах
==(1,
Wmin
(2.50)
rде (1 напряжения в крайних фибрах эквивалентноrо бруса.
Наибольший изrибающий момент может быть определен по формулам
м тах == DL Kp K 1 ; }
М тах == DL m L Kp K 1 ,
(2.51 )
в которых коэффициент К 1 принимается на основе. анализа близких прото-
типов. Минимальный момент сопротивления эквивалентноrо бруса может
быть представлеи равенством
W min == FНэ .
(2.52)
Напряжения в крайних фибрах ие должны превышать допускаемых,
которые составляют некоторую долю от BpeMeHHoro сопротивления (1в или
предела текучести материала а т .
Окончательно уравнение прочности можно представить в одной из сле-
.дующих форм:
DL Kp == К 2 (1TP; 1
Н э К 1
DL m == , 2 (1TP.
Н Э K 1 L Kp
(2.53)
Это уравнеиие связывает rлавные размерения судна с элементами конструк-
.ции корпуса.
8.4. Уравнение (функционал) масс
в общем виде уравнение масс может быть записано
-следующим образом:
D== Pi(L, В, Н, N,.. .): (2.54)
в этом уравнении Р; (L, В, Н, N, . . .) масса i ro составляющеrо эле-
мента судна.
Массу судна разбивают иа разделы. Каждый раздел на rруппы.
rруппы в свою очередь делят на подrруппы, а последние на статьи. При
решении уравнения масс в первом приближении желательно придерживаться
<стандартной разбивки наrрузки на разделы. Это позволит сопоставить массы
iПроектируемоrо и ранее построенных судов поэлементно и проанализировать
.степень новизны, ориrинальности и достоверности предлаrаемых решений.
Удельное содержание каждоrо раздела в общей массе СПК различно.
Для СПК, например, масса корпуса и крыльевоrо устройства составляет
30 55% полноrо водоизмещения. В связи с этим определению массы по раз-
делу «Корпус» необходимо уделить наибольшее внимание, имея в виду вы-
явление физически обоснованных взаимосвязей между массами составляю
щих элементов судна и ero размерениями, а также повышение точности рас-
чета.
56
r
С этой целью полезио раздел «Корпус» разбить на rруппы, родствеииые
по входящим в НИХ конструкциям, например [11]:
корпус (включая. фундаменты, изоляцию, окраску, покрытия);
крыльевое устроиство (с подкреплениями);
судовые устроиства и дельные вещи;
оборудование помещений и палуб.
Такая разбивка представляется в достаточной мере рациональной. Не
исключаются и иные подходы к разбивке массы корпуса и друrих разделов
массы судна.
Корпус. Конструкцию корпуса YC,1JOBHO расчленим на продоЛьные связи
(обшивка борта, днища, верхняя палуба с продольным набором), обеспечи
вающие общую прочность судна, и прочие связи конструкции и элементы
(платформы, поперечный набор, переборки, надстроЙки, фундаменты, ИЗОJIЯЦИЯ
покрытия, окраска, выrородки и др.), не участвующие в обеспечении общей
прочности.
Масса продольных связей пропорчиональна длине судна, Площади по
перечноrо сечения продольных связеи эквивалентноrо бруса и удельной
массе материала:
Р пр == alyL m F.
(2.55}
Если в эту зависимость подставить значение площади продольных свя
зей, найденное из уравнения прочности (2.53), то масса продольных связей
может быть найдена из равенства
K 1 a 1 L KP . . DL
Р пр ==
GK2 ат Н Э
(2.56}
rде аl коэффициент, учитывающий сужение обводов корпуса' и уменьше
ние площади сечения продольных связей к оконечностям судна.
Массу остальной части корпуса можно принять пропорциональной пло-
щаД!f обшивки, палуб, платформ, переборок, или w 3:
Р == а w 2 / 3
ОСТ 2 к'
(2.57}
Общая масса корпуса может быть найдена по формуле вида
PK== ( a + KlalIKP . . DL \w 2 / 3
K 2 G а т Н W2/3 ) к' (2.58)
э к /
Входящие в формулу коэффициенты определяют из аиализа статистическоrо.
материала по близким судам.
В частности, подразделяя СПК на речные и морские, можио установить,
К 1 а 1 Е кр
что множитель == 11, а множитель а 2 при изrотовлении корпусов
K 2 G
из алюминиевых сплавов равен:
0,115 для речных СПК;
0,23 для морских СПК.
ния Среднеквадра::ичная ошибка формулы (2.58) с приведенными значе
ми множителеи находится в интервале 4,1 6,7%. Следует принимать.
(J 6 70 .
H , ,О, т. е. по верхнеи rранице доверитеЛЫlOrо интервала. Приведеи
е Выше численные значения определены при измерении входящих в фор-
мулу (2.58) величин в тоннах и метрах.
Не Рез льтаты статистической обработки имеюшейся в литературе весьма
ко ПОлнои информации по СПК представлены на рис. 2.12. Для оценки массы
[5):п у са речных СПК может быть использована формула В. А. Дементьева
Р К == 105 .10 2DVэ Yha + 1,36,
(2.59)
117
, . читывает влияние скорости v э , м/с, .и мореходности h B , м. ПРИ 1е-
XOTOP :oY к конструкциям отечественных пассажирских судов [1.11 точность
нител (2 5 9 ) ха р акте р из у ется среднеквадратичной ошибкои примерно
формулы .
в 14%. . в кспл у ата ц ионных условиях на крыльевое
Крыльевое устроиство. э Удар
устройство действуют статические, динамические и ударные HarEY:;:;MeTaM
l:Iые наrрузки, возникающие при встрече крыльев с плавающим
1 1 м2
2/J'
W K
4 б
n'5
Il,lf
O,J
n'2
2,5.10 2 J,O'fO-2.
тп п Lk т/",'-
ar W /(2/ J H'
р с 2 12 Зависимость массы корпуса от rлавных разме-
и . р ни'й СП1( и характеристик материала корпуса
1 морскне СПI(; 11 речные н озерные СП К; 111 проrулочные
катера .
С . 2 Хай Пойнт»' 3 .Денисон»; 4 «Плеilнвью»,
1 « трела»,« ' А ) . б «Чайка»; 7
5 "ПК водоизмещеннем 550 т (СШ ,проект, . 11
" Р а . 9 «Метеор»' 10 «Буревестннк»,
«Беларусь»; 8 « акет с », . 13 'Вих р ь»' 14 .Волrа»
«Комета»; 12 « ПУТИН К». « ,
о
лн (характерно для малопоrружеиных
я при ударе плоскости KP : M В оэlому в основу разработки структуры
.ф ' д Л ; ;че У сы крыльево о устройства следует положить ди-
намические наrрузки. ая Ф о р м у ла для Р асчета массы крыльевоrо
В общем виде структурн
устройства представляет собой трехчлен
.....L.. [ ( 1 + a2hB ) D4/3 + ( азh ст + a4 h BhcT ) D +
Р к . у a 1 V /)" V Э YJ..в
а т э, в
V эh 'I: 2/3 ]
+ as D .
R ц
58
r
(2.60)
Здесь коэффициенты al a5 определяют из анализа материалов прото-
типоВ. Формула (2.60) даже при заведомо упрощенных допущениях rромоздка
и неудобна для расчетов первоrо приближения. В начальных стадиях жела
тельно использовать более простые зависимости, например, можно рекомендо-
вать одночленную формулу вида
Р к . у == x.....L... -V h B D. (2.61)
а т V Э
Р /( r
{ВО .у,
Рис. 2.13. Зависимость
массы крыльевоrо уст-
ройства от водоизмеще-
ния
1 морскне сп К; 11 реч-
. ные н озерные сп!\.
1 .Стрела»; 2 VS 10;
3 «Деннсон»; 4 «Хай
Пойнт»; 5 VS 8; 6
PT ]500C; 7 «Плейнвью»
(вариант крыльев из стали
HY 130); 8 «Плейнвью»;
9 КПК водонзмещением
550 т (США, проект); 10
НОС (ОЕН) водоизмещеннем
1360 т (США); 11 «Волrа»;
12 «Чайка»; 13 «Бела-
русь»; 14 «Ракета»; 15
«Буревестннк»; 16 «Ме-
теор»; 17 «Комета»; 18
«Спутннк»; 19 «Вихрь»
70
БО
30
40
б:J .1O '"
1. 1[h; J)
ат V З
Если величины, входящие в формулу (2.61), измерять в тоннах, метрах
и узлах, то для речных СПК х == 1,26.104, для морских СПК х == 2,85.104.
Эти коэффициенты учитывают также массу подкреплений корпуса ПОД
КРылья. Среднеквадратичная ошибка формулы (2.61) равна 18%. Рис. 2.13
ПОДТверждает линейный характер зависимости Р к . у от D.
Судовые устройства и дельиые вещи. Масса судовых устройств и дельных
вещей может быть подсчитана по формуле
Ру== kD 2 / 3 , (2,62)
rде коэФФициент пропорциональности k == 0,158 для речных и озерных СПК,
дЛЯ морских СПК k == 0,23. Зависимость (2.62) показана на рис. 2.14. Средне-
Квадратичное ОТКлонение массы судовых устройств и дельных вещей от при-
веденных осредненных данных равно 12%.
Оборудование помещеиий и палуб. Массу оборудования пересчитывают
по судну прототипу Toro же назначения, что и проектируемое, пропорцио-
I!ально Количеству перевозимых пассажиров или водоизмещению. Средне-
Квадратичное отклонение в обоих случаях не превышает 18%.
59
Системы. Масса общесудовых систем в расчетах первоrо приближения
:может быть принята riропорциональной водоизмещению. По опыту отечест-
BeHHoro судостроения для СП К, не оборудованных установками кондицио-
Р нирования воздуха, масса систем
у,Т в среднем равна 1,5% водоизмеще-
:15 ния со среднеквадратичным отклоне-
нием 19%. Система кондиционирова-
ния повышает долю систем в водо-
измещении примерно до 4%.
Механизмы. Масса rлавной ЭУ
принимается пропорциональной ее
полной мощности. Коэффициент про-
порциональности (удельная масса
механизмов) определяют на базе ста-
тистической обработки материала по
судам-прототипам, имеющим анало-
rичную установку (рис. 2.15). В част-
ности, по опыту проектирования
отечественных СПК [11] удельная
масса дизельной ЭУ, состоящей из
леrких быстроходных дизелей типа
М-50, может быть принята равной
2,75 кr/л. с. с квадратичным откло-
озерные нением, не превышающим 6%.
С ростом аrреrатной мощности
двиrателей удельная масса ЭУ сни-
жается, что леrко увидеть из рис. 1.19. Эту тенденцию можно учесть при
выборе rлавных размерений, если аrреrатная мощность принимаемых дви-
..rателей отличается от мощности двиrателей прототипа.
;10
.5
...'lf'
4.0 50
D 2 / J
Рис. 2.14. Зависимость массы уст-
:ройств и дельных вещей от водо-
измещения
,/ морскне СПI<; 2 речные н
СПК
О
10
20
30
Рм,Т
15
10
5
5ООО 6000
N,л.с
Рис. 2.15. Зависимость массы ЭУ от ИХ мощности
/ бензнновые моторы для катеров; 2 .быстроходиые днзе;1Н для мор-
скнх СПI<; 3 быстроходные облеrченные дизелн ДЛЯ морских СПI<;
4 [ТУ
о
1000
2000
3000
чООО
Электрооборудоваиие. Мощность электростанций на судне, состоящая
-из потребной мощности для питания навиrационноrо оборудования, обору-
Дования связи, спецпотребителей (вооружения), arperaToB ЭУ, освещения
и механизмоВ жизнеобеспечения, может быть подсчитана по формуле вида
F э ;: аРо + bN + cW к, (2.63)
.БО
""\""""
rде F о мощность спецпотребителей (навиrация, связь и др.); а, Ь, с ко-
эффициенты пропорциональности, учитывающие также одновременность ра-
боты потребителей и вращающийся резерв мощности.
Масса reHepaTopoB электроэнерrии и распределительных щитов пропор-
циональна мощности электростанции
Р lЭ ;: k1F э.
(2.64)
Масса кабеля с крепежом пропорциональна мощности электростанции и
()бъему корпуса судна
Р 2Э ;: k 2 F э W к .
(2.65)
Масса внутрисудовой связи (трансляции) может быть принята пропорцио-
нальной объему корпуса
Р зэ ;: kзW к'
Общая масса электрооборудования
Р Э == (kt + k 2 W K ) F э + kзWко
(2.66)
(2.67)
По опыту отечественноrо судостроения, в качестве приемлемоrо пара
метра для пересчета массы электрооборудования в первом приближении мо-
жет быть использовано водоизмещение в степени 2/3. Среднеквадратичное
отклонение массы в этом случае будет находиться в пределах 16%.
Коэффициент пропорциональности принимается на основе обработки
близких по техническому решению прототипов.
Снабжение. На коммерческих СПК в этот раздеЛ входит только CYДOBoe
снабжение и расходной материал. Без большоrо ущерба для общей точности
расчета масса снабжения может быть принята пропорциональной водоизме
щению судна. Квадратичное отклонение в этом случае не выйдет за пределы
20%.
Жидкие rрузы. В качестве параметра для пересчета массы жидких rpy-
зов часто используют водоизмещение в степени 2/3. Квадратичное отклоне
ние при этом составляет не более 25%.
Дедвейт. Экипаж судна определяют при проектировании на основании
требований задания и принципов эксплуатации. Массу экипажа с баrажом
продовольствием!" пресной водой принимают по существующим ДOKYMeHTa
с четом зада!lНОИ автономности плавания. Эту массу можно считать задан-
нои с высокои точностью.
Данные по номенклатуре и массе перевозимоrо rруза, а также о коли-
честве пассажиров приведены в задании на проектирование. Масса одноrо
пассажира с баrажом и провизией , по опыту постройки пассажирских СПК,
колеблется в пределах от 76 до 106 Kr и равна в среднем 93 Kr с квадратичным
отклонением примерно в 10%.
Запас топлива для обеспечения заданной дальности хода определяют
по формуле
R
PT;:qN .
: 'V э
(2.68)
Мощность механизмов следует принимать осредненной для нормальноrо
Водоизмещения при заданной скорости плавания. Форму.лу для расчета пол
1Ioro запаса топлива в этом случае можно привести к виду
2qR
15011 + qR
Кvrэ
ffe К V переХОДНЫЙ множитель от скорости в Jf.м/ч (уз) к скорости в м/с.
ри R, миль, V Э , уз, Kv;: 0,515; при R, км, V Э , км/ч, Kv;: 0,278.
Р Т ;:
D,
(2.69)
61
Учитывая точность входящих в формулу (2.69) велячин, несложно под-
считать квадратичную поrрешность расчета масСы топлива. В среднем она
равна 13%.
Запасы смазочноrо масла для rлавных двиrателей принимают пропор-
циональными полному запасу топлива. Коэффициент пропорциональности
устанавлнвают нз аналнза прототипов блнзких по типу ЭУ. Квадратичную
ошибку оценкн запасов масла подсчнтывают с учетом квадратнчноrо откло-
нення коэффицнента пропорциональностн от математическоrо ожидания.
Запасы топлнва и масла для вспомоrательных механизмов (приводов
электроrенераторов, установкн малоrо хода) находят по формулам и реко-
мендацням, аналоrнчным ранее прнведенным.
Запасы воды для экипажа и пассажнров рассчнтывают по действующим
нормам, а дЛЯ ЭУ пересчнтывают с прототнпа.
Запас водоизмещения. В снлу прнблнженности всех кораблестроитель-
ных расчетов, в том чнсле определения масс, водонзмещение судна на всех
этапах проектнровання получают с той нлн нной поrрешностью.
Суммарная масса элементОв, составляющнХ конструкцию судна, и не-
обходнмых запасов представляет собой математнческое ожндание массы
судна. Истннная велнчнна массы судна отлнчается от ее математическоrо
ожндания. Разность между ннми является случайной велнчиной, подчиняю-
щейся нормальному закону распределення вероятности ее появления. Водо-
измещенне судна может с равной вероятностью оказаться меньше (безопас-
ный случай) и больше (опасный случай) ero математнческоrо ожндання.
Опасность BToporo случая заключается в том, что не будут подтверждены за-
явленные свойства судна. Поэтому в практике проектнровання прнменяется
способ резервирования водонзмещения на возможные ошнбкн н друrне не-
предвиденные случан путем принятия запаса водонзмещення, прнведенные
ниже внды KOTOporO необходнмо различать.
дl запас водонзмещения на модернизацию судна (корабля), oroBa-
риваемый заказчиком в задании. ЭТОТ запас не может быть израсходован
в процессе проектнрования и постройки.
Д2 «запас техническоrО проrресса», прннимаемый для компенсации
прироста массы при замене старых образцов оборудования новыми, появнв-
шимися В процессе проектнрования и постройки. Этот резерв позволяет соз-
дать судно на должном уровне развития техникн. Велнчнна этоrо вида за-
паса водоизмещення должна определяться на основе ретроспектнвноrо ана-
лиза опыта проектировання. Принятне ирасходованне ero должны санкцно-
нироваться заказчнком.
дD запас водоизмещения, полностью находящнйся в распоряжении
rлавноrо конструктора и используемый для компенсацин возможных откло-
неннй в процессе проектирования масс в опасную сторону. Величину дD
назначает rлавный конструктор, сообразуясь с той степенью риска, которая
может быть допущена. .
rрафнческая интерпретация расчета запаса водоизмещения приведена
на рнс. 2.16. Если дl н Д2 рассматривать как заданиые (постоянные) rрузы,
то математическое ожидание водоизмещення
МО (D) == Pi + дl + д,.
(2.70)
На чнсловой оси масс ОР МО (D) представлено точкой d. Истинное во-
доизмещение может находнться правее и левее точки d. Характер кривой
распределения ошибок определяется дисперсией масс. С уменьшением дис-
персии'вероятность появлення большнх ошибок уменьшается (более крутая
кривая).
Вероятность Toro, что истиниое водонзмещенне не выйдет за пределы
rарантируемоrо D rap ,
1
'\'==0,5+
о у2я
D rap
J ехр ( 2 : ) dд.
MO(D)
(2.71)
62
Вероятно ть Toro, что водоизм щение превысит rарантируемое, пред-
ставляе.т собои степень риска совершения ошибки в опасную сторону, р ==
== l v. На рнс. 2.16 степень (вероятность) рнска представляет собой заштри-
хованную площадь.
({(А),
о
MD(IJ)==l:Pi+ A I + 2
па а
AIJ
Рис. 2.16. Нормальный закон распределения ошибок
Используя нормированное отклонение f (р) (см. рис. 2.9), можно запас
водоизмещения найти по формуле
дD == f (р) aD; . 1
V (2.72)
a D == (аiРд2.
Таким образом, величнна запаса водоизмещения зависит от точности
используемых формул и методик, характера распределения масс между раз-
делами и допустимой степени
рнска совершнть ошнбку в опас
ную сторону. В связи с этнм
подсчет днсперснй масс явля
ется неотъемлемой задачей про-
ектнрования.
На основе вероятностноrо
аналнза трудоемкостн проектн
ровання и экономической цe
лесообразности ИСПОЛЬЗ0вання
упрощенных методик С. А. Ба-
знлевским сформулированы pe
комендацни по допустимой CTe
пенн риска на разлнчных эта-
пах проектнрования (табл. 2.4).
Возможны и друrне ма-
тематическне моделн выбора
rлавных элементов. В част-
ностн. уравнен не масс может
быть основано на пересчете
с прототнпа по разлнчным модулям. Вопрекн ожиданию точность опреде-
лення масс отдельных элементов судна может оказаться ннже. чем в пред-
.!Iоженном методе. В табл. 2.5 приведены нанболее часто употребляющиеся
Модули и квадратичные ошибки, получаемые при пересчете с прототипа
по этнм модулям.
Таблица 2.4
Допустимая степень
риска и нормироваииая
ошибка на различных
этапах проектирования
Этапы проектироваRRЯ
Допус-
тимая
степень
риска ()
Норми-
рованная
ошибка
f (р)
1 приближение
II приближение
Эскизный проект
Техннческнй проект
Рабочий проект
0,20
0,10
0,05
0,01
0,001
0,84
1,28
J ,64
2,33
3,10
53
t
D;
1:;
>-
1:1:
О
t
t
:ii
:1: ..о
'3 "
:s: >.
1:;
1'1
111
D..
О
с
111
С
:s:
..
О
..
О
D..
с
u
Ф
..
Ф
'3
U
Ф
D..
Ф
с
:s:
D..
с
u
u
111
t
:s:
:.:
\о
:s:
3
о
ф
tn :ii
:1:
N '3
:s:
111 ..
=r 111
s: D..
1:; 1:1:
\о 111
111 111
::.:
64
. ..
"'
"- .:
.и
:С;.
t;
'"
""
Q
:t; :.
со)
со
$'
+
:I:
'"
+
'"
э
.:
:t;
..
Q
'"
..о
..
'"
..
"
о;
'"
"i:
'"
'"
р..
.;
'"
".
.:
'"
IIII"'I""' ""'II з I
l' 1 1""11 11 , I"II '1 I 11
, I I I , , , , I 1 I , , I , I I I 1::: , I I
1 , , 1 , , , I , . . . . . 1 . , . 1 I 1
, , , I ,;; I I 1 , , I I I 1 , 1 I I 1 , I I ,
, 1 . I , I I I · · I · · I 1 , 1 I I
I , I 1&5 I , , I , I I I I I I , I I 1 I I 1 I
II IIIIIIII'III'II'IIIII
z
'"
I I I I I , 'r-: I , I I , I I 1 I I , 1 I I I ,
'"
'" О
000
I I I , . ,
. .
..1..111".111
lf:) <:'1
""" 00
I.C
, ф 11.C(j) 1 . . . . I
<:'1'"
.I.C
<:'1
I C'I , I ". 1 1 1
C'I
lf:)
I t I I . I r-.Оl!';)<:'I оо ";(j)"",оо"'ООC'l(j)
:s:
E-o о'
О>. '-
2 g
g
:z: ;:;: - ri
;:;: :Z: :s:
Ф Е-О m
u o :Z: O
>. Ф>. (1) (I) Ф ,,=0 S
0."=(1)(1) _ Ef 1= :s: ",о.
o.",(I)", o.:s: (I)"'u:z: :s:
c :z:(I) '" о. 2
::t:CQo :rt::\Qo \Qot)o CQ a;"
;:;: о. (1) Q" :>. r:: >. 1:: ':.: о.. О 1;; ;;; _
"=':S:3:s: "7- 0.:s::s: "=(I)ot; \O2:
(1);:;:\0 "' :::: - Ef "';:;:0..>. o.. "'-о
= С = О ДW O \O CQ
t:<::!! !i: t>:t>: >.o .... ;:;: _о.._
[ = ro o 8 o
U,,= <;<; uо.. д :s:о..
>',,= о:S::Z:ОЕ-о"' ut>: >' <;(I) Е-о ",'"
t:: CQ u ro O u
o.E-оо..оu",о :Z:<;о..О О ДU:s:(I) '" Ul::
oQ,,"'0.."'<;E-о"'>'(I) mо >.0..;:;: ,,= ::::3 0
i:: e O i::OU U т U
t 9. Проrнозирование стоимости постройни СПК
.. эксппуатационных затрат
Проrнозирование затрат в процессе теХНИКО-ЭКономиче-
ских исследований элементов судна, как правило, Основывается на статисти
ческих методах с использованием математическоrо аппарата корреляционно-
реrрессионноrо анализа. Это обстоятельство как раз и затрудняет задачу
проrнозирования.
Методы определения затрат базируются на выборочной совокупности
ранее построенных судов, которую приходится принимать за представитель
ную выборку rенеральной соВокупности ранее построенных СУДОВ, а также
тех судов, которые моrли бы быть построены и которые MorYT быть созданы
в перспективе. Ретроспективный анализ может показать имевшие место pa
нее тенденции, но он не дает оснований считать, что эти тенденции сохранятся
и на перспективу. В этом заключена одна из трудностей проrнозирования
затрат.
Для повышения надежности проrноза затрат на проектирование, по-
стройку и эксплуатацию судна целесообразно математические моделн стои-
мости разукрупнять и вводить в них дополнительные определяющие факторы.
Модель должна учитывать физические взаимосвязи между элементами судна
и стоИмостными показателями и быть чувствительной к характеристикам
проектных решений, которые должны обосновываться с помощью экономи
ческих факторов.
Модель затрат должна учитывать временноЙ фактор и тенденции ЭКОН(J .
мичесКоrо развития общества. Ее желательно приблизить к структуре каль
куляционно-отчетных показателей. ЭТо обеспечит сравнение проrнозируе
мых стоимостей поэлементно с известными Отчетными калькуляциями.
9.1. Построечная цена судна
Стоимость судна складывается
из следующих
статей
затрат:
стоимости материалов и ПОставок по межзаводской коопераЦI!И (М3К);
зарплаты производСТвенных рабочих;
накладных расходов (цеховых и общезаводских);.
контраrентских поставок и шефмонтажных работ;
индивидуальных расходов. . ,
Сумма этих затрат представляет собой заводскую себестоимость судна,
отпускная ero цена отличается от себестоимости на величину плановых Ha
копленнй, реrламентируемых планирующими орrанами.
Стоимость материалов зависит от прейскурантных цен на поставляемые
материалы, номенклатуры и количества их. Материалы, полуфабрикаты и [о-
Товые изделия в основном расходуются на постройку корпуса, устройств и
общесудовых систем. В связи с этим стоимость материалов следует опреде-
лять в функции от суммарной массы корпуса и систем
М K 1 K 2 s M (Р К + Ре) е, (2.73)
rде К 1 коэффициент, уЧитывающий осредненное соотношение различных
типов материалов и изделий; К 2 коэффициент, учитывающий Относитель
ное уменьшение стоимости материалов с ростом водоизмещения судна (про-
кат листов и профилей больших толщин дешевле); SM СТоимость I т OCHOB
Horo материала корпуса; е коэффициент, зависящий от серийноrо номерЗJ
СУдна и УЧИТЫвающий совершеНствование теХНОлоrии и уменьшение ОТХОДОВ_
дЛЯ определения е рекомендуется формула
6 == 1 O,llgт, (2.74)
[де т порядковый номер судна всерин.
3 Заказ Nt 1856
65;
Зарплата производственных рабочих определяется средней тарифной
ставкоЙ и трудоемкостью постройки судна на верфи. Накладные расходы
(цеховые и заводски принимаются пропорционально зарплате производст-
венных рабочих. Величина накладных расходов определяется штатной CTPYK
туроЙ предпрИЯТИЯ и ero орrанизационными особенностями. Для экономи
qеских расчетов нужно брать средние по отрасли накладные расходы. Со-
вершенствование системы управления производством и использование для
этих целей цифровой электронной вычислительной техники (ЭВТ) внесет
поправку в величину накладных расходов. Из общей тенденцИИ совершенст-
:вования системы управления производством на судостроительных верфях
!и изменения управленческих расходов устанавливается среднеrодовое OT
носительное изменение накладных расходов по отрасли К з . Тоrда затраты
на зарплату и накладные расходы MorYT быть определены, по формуле
З == т ( 1 + Н ц + Нз K t )
Р . р р 100 3'
(2.75)
rде тарифная ставка рабочеrо среднеrо разряда квалификации, руб./ч;
р . Н
Т р трудоемкость построики судна, ч; ц цеховые накладные расходы,
%; Нз общезаводские накладные расходы, %; t время до конца по
строЙки rоловноrо или рассматриваемоrо сериЙноrо судна от момента эконо
мическоrо анализа, в rодах.
Трудоемкость постройки судна заводом строителем пропорционалыiа
водоизмещению порожнеrо судна в степени 5/6 и может быть определена по
формуле
( Q ) t D 5/6
ТР==К4 1 (1 o,341gт) пор,
100
(2.76)
['де К4 коэффициент пропорциональиости; Q плановое повышение про
изводительности труда в rод, %.
В статью «Контраrентские поставки и шефмонтажные работы» включают
стоимость сторонних поставок оборудования для судна и стоимость работ
сторонних орrанизаций. К контраrентским поставкам удобно отнести по-
ставки по rлавной ЭУ, электрооборудованию, навиrационному оборудова-
нию, средствам связи и специальные поставки (приборы и механизмы си-
стемы АУПК, вооружение и т. п.) Контраrентские поставки по судовому обо
рудованию и системам целесообразно учитывать в статье «Материалы».
Стоимость поставок по ЭУ зависит от аrреrатной мощности rлавных дви-
rателеЙ, их числа, количества механическоrо оборудования и объема авто-
матизации [29]
КМ == K 5 IN;,
(2.77)
['де Ко коэффициент; i число rлавных двиrателей; х показатель
,степени, для дизельной установки х == 1,12, для [ТУ х == 1,0.
Стоимость электрооборудования может быть принята пропорциоиаль-
:ноЙ установленной мощности или массе электрооборудования
К" == К 6 Р". (2.78)
,Стоимость прочих контраrентскИХ поставок принимается. по прейску
ранту или прототипу. Стоимость шефмонтажных работ пропорциональна
суммарноЙ стоимости контраrентских поставок (Юв'
. . К статье «Индивидуальные расходы» относят затраты на оплату всех
видов энерrии, плавучих средств, кранов, амортизации стапеля, ремонта
оснастки, испытаниЙ судна, содержания сдаточной команды, транспортных
и складских расходов, отчетноЙ документации и друrих прямых (кассовых)
расходов. К этоЙ же статье причисляют затраты, относимые на rоловное
судно, на разработку проектно-конструкторской и технолоrической доку-
ментацни, разработку и изrотовление технолоrической осиастки, приспособ-
66
лений и специальноrо .инструмента. Индивидуальные расходы в первом при-
ближении MorYT быть приняты пропорциоиальными водоизмещению судна
и обратно пропорциоиальными порядковому иомеру судна в серии
D
И==К7 '
т
(2.79)
: При определении статистических коэффициентов К 1. К 2' К4' . . . . КВ Jl
среднетарифной ставки p по отчетиым калькуляциям построениых судов
следует подсчитать их квадратичные ошибки для определеиия дисперсии
суммариой стоимости судна .
Da == м 2 [(а к .)2+ (а к .)2+ (а кр )2] +
+ З [ (а ь )2 + (а к .)2 + ( UD Л + K [(а К У+ ( XU N)2 + (ак.У] +
+K [(а к .)2+ (а,,)2+ (а к .)2] + K; [(ок.)2+ (a )2] +
+ и 2 [(ОкУ+ (U D )2], (2.80)
rде акр относительная квадратич-
ная ошибка массы корпуса (из pac
чета массы судна). Аналоrично при-
нимаются относительные квадратич-
ные ошибки мощности механизмов
(fN' массы элек ооборудования G з
и водоизмещения а D' б
С целью получения объективных
выводов из анализа экономических
показателеЙ даже в случае отклоне
ния стоимости судна от расчетноЙ
последняя должна быть увеличена
на величину
Да == ир) V Da '
(2.81)
о
При подсчете общеЙ стоимости
судна необходимо учитывать непре-
рывный рост производительности
труда и опережающее влияние на-
учно-техническоrо проrресса на ха-
рактер промышленноЙ продукции:
повышение надежности изделиЙ и их
качества, уровня требований к Kpyry
решаемых задач, точности, комплек
сированию, долrовечности, ремонтоприrодности и т. д. С друrой стороны,
Увеличиваются прямые (зарплата) и косвенные (выплаты и льrоты из обще-
ственных фондов потребления) доходы населения. В результате стоимость.
промышленноЙ продукции возрастает, что может быть учтено с помощьюj
так называемых индексов цен на промышленную Продукцию. Индексами цен.
в статистике называют относительные величины, количественно харюпери":
зующие сводную динамику цен промышленноrо производства [19].
Если известна доля ежеrодноrо при роста цен i ц , то индекс цен за Bpeмsr
от момента технико-экономическоrо обоснования решения до сдачи rоловноrо
Судна или завершения сериЙноrо строительства t леrко наЙти по формуле
t
Рис. 2.17. Динамика измеиения по-
строечиой цены судна во времени
1 с учетом индекса цен; 2 ПрliрОСТ
цены; 3 без учета вЛИяния индекса цен;
4 сопостаВliтельные цены на момент
разраБОТКIi
lц == (1 + iuY.
(2.82)
67;
3*
Общая стоимость судна на проrнозируемый период может быть иайдена
по формуле
G === ( 1 + ) (1 + iц)t[м + З р + КВ (Км + К9+ 1:Kj) + и + й], (2.83)
100
rде р плановые накопления (прибыль), %; КВ коэффициент, учитываю-
щий стоимость шефмонтажных работ; К, стоимость прочих KOHTpareHT-
i:ких поставок.
Динамика изменения построечной стоимости судна на протяжении вре-
мени серийноrо строительства в криволинейной координатной системе,
учитывающей влияние индекса цен, показана на рис. 2.17. Удельные капи-
тальные затраты в значительной степени зависят от количе тва судов в серии.
При определении технико экономических показателеи судна представ-
ляют интерес средние показатели по судам всей серии. В этой связи важно
правильно определить в серии порядковый номер расчетноrо судна, стоимост-
ные показатели KOTOporO характеризуют суда всей серин. Рекомендации даны
в табл. 2.6.
Таблица 2.6
Зависимость порЯДковоrо номера расчетноrо
серийноrо судна от объема серии
Общее количество
судов в серии
100 I 200
5
40
60
10
20
Порядковый номер рас- 2 4 8 14 22 34 50
четноrо сунна
9.2. Себестоимость перевозки пассажиров (rрузов)
Расходы, составляющие себестоимость судна, в процессе
эксплуатации слаrаются из двух основных rрупп затрат:
прямых расходов на содержание судна в эксплуатации;
косвенных расходов, распределяемых пароходством между судами.
К прямым расходам относятся: зарплата экипажа с надбавками, столо-
Бое довольствие, расходы на [СМ, амортнзационные отчисления, затраты
на все виды ремонтов, на малоценный инвентарь и материалы, на судовые
11 иавиrационные сборы, на обслуживание пассажиров.
К косвенным (распределенным) расходам относятся: административно-
управленческие и эксплуатационные расходы пароходства, затраты на со-
держание морских areHTcTB и работников связи, прочие береrовые расходы,
:затраты пароходства на обслуживание пассажиров.
Существует два метода расчета себестоимости перевозок: расчет по
.транспортным операциям и расчет общей себестоимости. Первый нз них
:позволяет проанализировать себестоимость по ее составляющим и наметить
:пути снижения общей себестоимости. Первый метод предпочтнтелен для ис-
:пользования в пароходствах, второй для сравнительноrо анализа в про-
ектных расчетах.
Себестоимость пассажиро- (или тонно-) мили вычисляют по формуле
э
3 пм ==
Qп '
(2.84)
rдe Э эксплуатационные расходы' за навиrацию.
б8
:.,...-
Расходы на зарплату экипажа Э СПК следует определять в COOTBeTCT
вии с действующими положениями по штатным окладам: за время эксплуа-
тации t и , сут, ремонтов (текущеrо и среднеrо), зимнеrо отстоя (50% должност-
нoro оклада). К зарплате необходимо добавить различноrо рода доплаты
[29, прилож. 5], начисления, а также столовое довольствие.
Необходи:мость столь подробных расчетов диктуется особенностями
СПК высокой степенью автоматизации, малой численностью экипажа при
высокой ero квалификации.
Для определения числа смен экипажа составляют суточный rрафик дви-
жения судна на линии, пользуясь которым нетрудно подсчитать ежесуточ-
иый расход ресурса двиrателей, установить периодичность их замены, опре-
делить ходовое время с пассажирами в сутки и друrие показатели.
Затраты на ремонты и возобновление основных средств рассчитывают
в определенной доле от строительной стоимости и включают в себестоимость
как отчислення в амортизационный фонд. В общем виде сумма ежеrодных
амортизационных отчислений по каждому СПК может быть найдена по фор-
муле
Э а ===
Пр
O(I KocT)+ Sрlц
Тел
(2.85)
rде К ост коэффициент остаточной стоимости судна после вывода ero из
эксплуатации и сдачи на слом (учитывает возможность реализации оборудо
в'ания, rодноrо для дальнейшей эксплуатации, и стоимость вторичноrо сырья);
Пр количество ремонтов за все rоды плановоrо срока службы судна; Sp
стоимость различных ремонтов: планово предупредительных, текущих, сред-
них, разбора на слом; 1 ц индекс цен на момент ремонта; Т сл плано
вый срок службы судна. Некоторое представление об эксплуатации и peMOH
тах СПК дано в книrе [16].
Следует, однако, заметить, что амортизационные отчисления зачастую
используют для проведения политики YCKopeHHoro обновления средств про-
изводства, особенно применительно к перспективным, развивающимся от-
раслям. Тоrда амортизационный период назначается меньшим, чем срок
службы судна. Нормы амортизационных отчислений для различных отраслей
народноrо хозяйства являются плановыми и определяются из потребностей
общества, т. е. относятся к иерархии более BbIcoKoro порядка, чем уровень
технико-экономическоrо обоснования судна. Для более узкой задачи тех-
нико экономическоrо обоснования судна амортизационный период можно
принять равным сроку службы судна.
Расходы на материалы и износ малоценноrо инвентаря исчисляются
в долях строительной стоимости и по опыту эксплуатации СПК [3] прини-
маются равными примерно 1%, т. е. 0/100.
Для поддержания реrулярности и надежности скоростных пассажир-
ских сообщений необходимо иметь резерв флота, расходы по содержанию
KOToporo в период профилактических ремонтов учитываются в эксплуата
ционных затратах. По опыту эксплуатации СКП, количество резервных cy
ДОВ составляет 12% OCHOBHoro состава. Расходы по резервному флоту прини
маются ориентировочно в размере 22% расходов на зимний отстой, аморти-
зацИЮ и материа.ТJЫ.
Затраты на судовые и навиrационные сборы определяются на основе
анализа отчетных данных по эксплуатацин подобных судов. Для СПК, ис-
пользуемых на внутренних рейсах, эти расходы принимаются в размере 2%
суммы предыдущнх прямых расходов.
Затраты на [СМ определяются в соответствии с расходами топлива на
эксплуатационном режиме, продолжительностью ходовоrо, MaHeBpoBoro и
СТОЯНО'lноrо времени (при работающих механизмах) и ценами на топливо
и масло.
Косвенные (распределенные) расходы в среднем по пароходствам состав-
ляют 25% затрат на содержание экипажа, а дЛЯ СПК 18% всех прямых
69
расходов (включая rCM). Окончательно rодовые эксплуатационные расходы
с учетом индекса цен можно подсчнтать по формуле
==1,18{1,02[1,22(Эа+ I O )+Э lц(l+о,ll )]+эrСМlц}. (2.86)
t 10. Оптимизация элементов спк
Под оптнмизацией элементов судна поннмается процесс
выбора TaKoro нх сочетання, при котором судно в целом, как инженерное
сооруженне, будет наилучшнм образом отвечать своему назначению. Выбор
наилучшеrо соотношення элементов судна означает достаточно широкое HC
пользованне методов перебора элементов в различном нх сочетаннн, что резко
увелнчивает объем работы. Стремленне к сокращенню затрат труда прнвело
к появленню так называемой поуровневой оптнмнзацни, коrда отдельные
элементы судна оптнмнзнруются на своем иерархическом уровне.
Поскольку нерархнческая последовательность элементо от ннзшеrо
до высшеrо уровня может оказаться достаточно множественнон, то зачастую
прнменяемая последовательная поуровневая оптнмнзацня может «разбаланси
ровать» снстему на ее высшем уровне. Напрнмер, в результате борьбы за
снижение массы прн выборе каждоrо элемента судна можно повыснть ero
rрузоподъемность, а следовательно валовой доход. Но это может свестн к ми
ннмуму чнстую прнбыль нлн сделать судно убыточным за счет повышения ero
построечной стонмостн и стонмостн эксплуатацнн, особенно еслн приннмае
мые решення потребуют капнтальных затрат на созданне или модерннзацию
спецнальных портовых сооруженнй, снстемы базнровання н тем более
созданне новых отраслей хозяйства.
В связн с этнм средн характернстнк снстем ннжнеrо уровня прн поуров
невой оптнмнзацнн необходнмо выделять те, которые в конечном HTore участ
вуют в формнрованин крнтернев оптнмнзацин системы на самом высшем (KO
нечном) уровне. Это означает, что в основе оценкн рацнональности любоrо
техннческоrо решення должен лежать экономнческни анализ.
В качестве крнтернев оптнмнзацнн чаще Bcero применяются такие эко
номнческне показателн:
валовой rодовой доход;
чнстый rодовой доход;
срок окупаемостн капнтальных затрат;
затраты на достиженне прнемлемоrо (заданноrо) уровня эффективно"
сти решення задачн (стонмость решення задачн);
велнчнна предотвращенноrо ущерба н т. п.
В завнснмостн от характера крнтерня прн оптимизации задача либо
1\!ииимнзируется, лнбо макснмнзнруется.
Валовой zодовой доход нсчисляется в соответствии с действующими Ta
рифами на перевозкн rрузов и пассажиров
Дr == dQп, (2,87)
['де d тарнф на перевозку 1 т rруза (одноrо пассажира) на 1 милю. Тариф
на перевозку может меияться во времени.
ЧистыЙ содовой доход (прибыль)
П == Дr э. (2.88)
Срок оку.паемрсти капитальных затрат
G
ТОК ==
Дr Э
(2.89)
7а
Срок окупаемости, как ранее указывалось, нормируется соответствую-
щимн директивнымн документамн. В частностн, предельно прнемлемыми
считаются следующие срокн окупаемости: прн созданнн HOBoro типа судна
Ток == 8..;-. 10 лет, прн модернизацнн судна Ток ;о:; 5 лет.
Стоимость реcuения задачи представляет собой либо rОДовые эксплуата
ционные расходы Э при равных возможностях рассматрнваемых варнантов
по решению задачн, лнбо отношенне rодовых эксплуатационных затрат
к производительностн судна
э
Сп з == .
У,' Qп
(2.90)
Предотвращенный ущерб как крнтернй для оценки служебных (сторо-
жевых) судов прнменяется реже, чем стонмость решення задачн, в связи
с тем, что сложно проrнознровать заранее ущерб, который может быть прн-
чннен нарушнтелем илн стихнйным бедствнем. Тем не менее такой крнтернй
может нметь место. Используя указанные крнтернн, можно нз ряда варнан-
тов отобрать для дальнейшей разработкн нанлучшнй.
В этой связн необходимо отметнть важность предварнтельноrо нссле
дования основных элементов судна и техннческнх решеннй уже на первом
этапе проектирования (в первом прнближеннн). На этом этапе, не оrраннчн-
ваясь заданием, следует проварьнровать:
полезную наrрузку (пассажнровместимость);
скорость эксплуатацнонноrо хода;
дальность хода;
тнп ЭУ.
Днапазон варьнровання требованнй задання может быть разлнчный
н должен определяться нз условня получення техннческн реальных н целе-
сообразных варнантов судна н в то же время охватывать весь днапазон воз-
можных решеннй, в пределах KOToporo вероятно нахожденне оптнмальноrо
варианта.
Основные элементы оптимальноrо варнанта судна MorYT быть опреде-
лены на основанин решення снстемы уравнений, определяющнх ero общест
венную полезность, связывающнх свойства судна с условнямн ero эксплуа
тацнн, типом энерrетнки, применяемымн КОНСтрукционнымн матерналамн,
технолоrическимн возможностямн н экономнческнмн показателямн. Эта
задача, особенно еслн учесть необходнмость MHoroBapHaHTHoro перебора
'различных сочетаннй элементов судна, связана с большнм объемом вЫчнс
леннй. Решенне во MHoroM облеrчается прн нспользованнн ЭВТ. На первых
этапах освоения ЭВ Т нспользовался прннцнп переложення на машнну HaH
более трудоемкнх вычислнтельных работ по частным проrраммам. С совер-
шенствованнем аналитическнх способов проектнровання появнлась возмож-
ность создания н освоения снстемы автоматнзнрованноrо проеКТНрования,
котор ая позволнт с большой степенью надежностн обследовать решення в
выбранной областн н выявнть нанлучшнй по крнтерню оптнмнзацни варнант
проектируемоrо судна. .
Прн нспользованин ЭВ Т процесс оптнмнзацин можно постронть шнре,
задавшнсь целью обосновать проrрессивность выбранноrо транспортноrо
средства в сравнении с друrими, способнымн решать такне же задачн. На
пример, если на нсследуемом направлении ПЕ'ревозкн пассажнров MorYT быть
осуществлены собственнымн или фрахтуемымн пассажнрскнмн судамн обыч-
ной архнтектурной формы, СПК: нли СВП, железнодорожным транспортом,
автотранспортом, воздушным флотом, резонно поставнть задачу отыскання
предпочтнтельностн одноrо из них или нанвыrоднейшеrо с экономнческнх
познций нх сочетання, т. е. отыскания места каждоrо внда транспорта в об-
щей системе пассажнрских н rрузовых перевозок. При этом аналнзе можно
учесть влнянне на нзучаемый процесс мноrих факторов, начнная от rндро-
метеоролоrическнх н кончая рекламнымн.
Эта задача носнт характер наУЧI/о-техннчеСКDrо проrнознровання, при
котором следует цзбеrать нанболее часто встречающихся ощнбок,. Возникаю-
.71
щих [33] из-за неопределеННОСТJ{ иненадежности имеющихся даниых, слож-
!юсти внешних связей между явлениями, непосредственио не связанными
между собой, а также в результате подrона решения под заранее составлеи-
ную схему. .
Задача отыскания места каждоrо вида транспорта в общеи системе транс-
портных средств на некоторую перспективу требует от исследователя макси-
мум беспристрастности, объективности и иаучнои добросовестиости.
t 11. Рекомендации к схеме расчета
элементов СПК в первом прибпижении
(пример расчета)
Совместное решение приведенных в 8 настоящей rлавы
шести основных уравнений может быть произведено способом подбора во-
доизмещения. Расчет удобно вести в табличной форме. Перед началом pac
чета на основе анализа задания, опыта постройки и эксплуатации СПК: сле-
дует выбрать принципиальную схему крыльевоrо устройства (<<самолетная».,
«утка» или «тандем»), несущие плоско.сти (п?лностью или частичнО поrру-
женные), способ управления подъемнои силои подводных крыльев.
Ход расчета удобно проследить на числовом примере выбора элементов
MopcKoro пассажирскоrо СПК: со следующими требованиями:
количество пассажиров 90 чел.;
дальность хода 200 миль;
мореходноСТЬ 4 балла (высота волны 2,0 м);
эксплуатационная скорость при волнении моря до 4 баллов включи
тельно не менее 36 уз; .
пассажирский салон должен быть оборудован системои кондициоии-
рования воздуха и иметь звукоизоляцию;
вертикальные переrрузки при ходе судна на крылья не должны пре
вышать верхней rраницы зоны комфорта при волне 50% нои обеспеченности.
Указанные требования выполнены при постройке MopcKoro пасс жир
cKoro судна «Тайфун», созданноrо в СССР в 1967 r. Однако СПК «Таифун»
в дальнейшем не использовалось как прототип.
Для оценКИ величины водоизмещения судна рассматривают близкие
частные прототипы (табл. 2.7). Из анализа данных по частиым прототипам
можно предположить, чТО водоизмещение проектируемоrо судна будет на-
ходиться в пределах 60 70 т (в среднем 65 т). По,:?тому за расчетное BO
доизмещение принимается среднее значение ожидаемои величины и отличаю
щееся от Hero на :t: 30 40%.
Таблица 2.7
Характеристика частных прототипов
СУДНО I п n , чел. I v э' УЗ I S, МИJlS
D, т
L, м
«Долфии» 90 50 250 69 22,8
РТ-50 MK-II 105 34 325 63 27,9
«Комета» 118 32 300 58 35,1
Для судиа водоизмещением 65 т находят параметры, по которым MorYT
быть подобраны элементы ero крыльевой системы (табл. 2.8).
Исходя из требований задания по вертикальным переrрузкам при вол-
неиии, на проектируемом судне следует применить АУПК. В качестве близких
72
Таблица 2.8
Ан.лиз данных по крыльев/M системам прототипов
Судно I FrA h B : D'/' Примечание
Проектируемое 3,0 0,5
«Хай Пойнт» (США) 3,0 0,63 АУПК
«Тукумкэри» (США) 3,9 0,70 АУПК
PT 50 (Швейцария) 3,14 0,64 НПК
«Стрела» (СССР) 2,9 0,56 НПК
прототнпов моrли бы быть использованы корабли «Хай Пойнт» И «Тукум-
кэри» (США). Однако по ним нет достоверных кривых сопротивлений. СПК
РТ -50 и «Стрела» имеют пересекающие поверхность НПК и, cTporo rоворя,
не MorYT быть приняты в качестве прототипа. Поэтому кривую сопротивле-
ния определяют на базе статистических данных, анализируя данные по двум
крыльевым системам: «тандем» И «утка» (табл. 2.8).
Распределение наrрузки между носовым и кормовым крыльями системы
«тандем» В примере приняты по схеме 45/55. При этом предполаrается реали-
зовать следующие условия:
использовать положительное влияние взаимодействия крыльев на
соп р отивление;
разнести крылья для улучшения мореходных качеств судна.
Первое из этих условий проверяют по формуле (3.5). Расстояние между
крыльями должно (для расчетноrо примера) находиться в пределах
.13,8 L Kp < 41 м.
. При принятом распределении наrрузки соrласно диаrрамме (см. рис. 3.6)
может быть достиrнуто отношение LKp/L m == 0,8. Откуда L.<p == 18 -+- 28 м,
если считать, что длина проектируемоrо СПК будет находиться в пределах
длин прототипов от 22,8 до 35,1 м. Возможное расстояние между крыльями
укладывается в пределы, при которых целесообразно осуществление системы
«тандем».
Распределение наrрузки между носовым и кормовым крыльями системы
,«утка» принимается по схеме 33/67 (33% на носовое крыло и 67% на кормовое
неразрезное). При этом предполаrается добиться высоких мореходных
качеств,характерных дЛЯ СПК с крыльевой системой «утка», И обеспечить
подъем крыльев. Удельную наrрузку на крылья (в расчетном примере
4 тс/м 2 ) выбирают в пределах зоны реальных СПК (см. рис. 3.1).
В качестве движителя для заданной эксплуатационной скорости выбран
при системе «тандем» винт фиксированноrо шаrа (ВФШ) с пропульсивным
коэффициентом 11 == 0,60 (см. рис. 3.36), при системе «утка» водомет с про
пульсивным коэффициентом 11 == 0,5. По результатам расчета уравнения
ходкости определяют возможные типы rлавной ЭУ.
На рис. 2.18 нанесены кривые потребной эксплуатационной мощности
судна с полным rрузом на волнении и на тихой воде при разных крыльевых
системах и ступенчатая кривая эксплуатационных мощностей механизмов.
Некоторые применяемые на СПК ЭУ приведены в табл. 2.9. rлавные ЭУ
{)беспеч вают, как правило, плавание судна без превышения эксплуата-
ционнои мощности при волнении моря до 4 баллов включительно. При вол-
нении 4 балла в некоторых случаях при использовании варианта «утка» (по
диапазону водоизмещений) потребная эксплуатационная мощность превы
шает эксплуатационную мощность двиrателей, оrоворенную техническими
Условиями (ТУ) на их поставку (заштрихованные на рис. 2.18 участки).
В этих условиях двиrатели будут работать на повышенной мощности, что
дОпустимо, если общее время работы двиrателя на этих режимах не выходит
за oroBopeHHoe в ТУ. В частности, для дизелей типа М50 допускается около
73
10% времени работать иа мощности выше эксплуатаЩIОИИОЙ (до максималь
иой включительно).
Время наблюдения 4-балльноrо волнения в различных морях с?ставляе:
'Ьт 10 до 20% rодовоrо времени и в основном приходится на зимнии период.
коrда, как правило, из-за ледовой обстановки навиrация СПК прерывается.
Таким образом, время расходования ресурса при повышенных мощностях
не превысит допустимых 10%.
В расчетном диапазоне водоизмещений может быть принята конкретная
дизельная или rазотурбинная ЭУ. По-видимому, предпочтение дол) .<но быть
отдано более экономичнои, а сле
довательно, более рентабельной
дизельной установке. :
При подсчете потребных объе
мов следует принять во внимание
следующие соображения. Общая
продолжительность рейса, даже
в случае хода на предельную
дальность, не превысит 5,5 6 ч.
Поэтому для пассажиров не потре.
буются каюты. Достаточно пре-
дусмотреть удобные частично от-
кидывающиеся кресла в общем
пассажирском салоне, а также
один-два туалета и буфет.
С целью снижения шумности
в пассажирском салоне ЭУ должна
быть размещена в кормовой око-
нечности судна и отделена от пас-
сажирскоrо салона хотя бы одни
буферным отсеком, в котором рас-
положены второстепенные поме-
щения. Высота межпалубноrо
пространства принимается равной
2,2 м.
rлавные механизмы MorYT
полностью не разместиться под
палубой переборок, поэтому в по-
требный объем включается веко-
торая доля объема IOTopHoro от-
сека. В расчетном примере из
конструктивных соображений при-
нято, что над моторным отсеком
палуба будет на 1 м выше палубы
переборок.
Вследствие большой высоты
стоек крыльев передачу мощности
к винтам следует осуществлять через уrловую редукторную систему (<<ко-
лонку»). Водометы MorYT быть размещены в корпусе, а подвод воды к ним
осуществлен через стойки. .
Соотношение междv высотой борта до палубы переборок и осадкои при-
нимается исходя из ДЛЙНЫ затопленноrо отсека, равной примерно 0,2 L, так
как минимально возможная длина судна, судя по прототипу, может соста-
вить примерно 23 м, а минимальная длина MOTopHoro отсека, по опыту про-
ектирования отечественных СПК, примерно 4,5 м. Отношение этих длин
.близко К 0,2.
Коэффициенты полноты водоизм:щения и КВЛ (u и а) MO при.нят
среднестатистическими, уrол внешнеи килеватости на миделе 15 18
(в примере O 150). При такой килеватости днища ударные пер rрузки
в режиме выхода судна на крылья и при касании вершины крупнои волн!"
судном, идущим на крыльях, находятся в приемлемых пределах. Дальнеи-
NJ,л. с.
4000.
3500
7
3000
2,500
2000
50
60 '
70
80 lJ, т
Рис. 2.18. Схема к выбору типа rлав-
ных двиrателей (числовой пример)
1. 2 кривые эксплуатационной мощности
СПК с крыльевой системой «утка» при полном
водоизмещении соответственно при волнениИ
моря 4 балла и на тихой воде; 3. 4 кривые
эксплуатационной мощности СПК с крыльевой
систеМой «тандеМ» при пОЛНОМ водоизмещении
соответственно при волнении моря 4 балла
и на тихоЙ воде; 5, б, 7 эксплуатаЦН9нная
мощность rлавной ЭУ. в состав КОТОРОIl BXO
дЯТ соответственно по три дизеля М50-6
или М50Ф-З. или [Т Д АИ-20; три днзеля
12Ч НСП-18/20 с моноблоком или два
[ТД АИ-24; четыре дизеля М50-6 или М50Ф-З
74
.......-
. Таблица 2.9 .
ВарнаНТ"1 ЗУ дnя npoeKTHpyeMoro СПК
Марка двкrателя
Эксплуата.
ционная
мощность.
л. с.
(кВт)
KY «TaHдeM», ВФШ I KY «YTKa», водомет
Диапазон водоизмещений, т
5 O 1 60 70 1_ 70 80 1 5O 60 I 60 70 I 70 80
Двиrатели
Дизель:
М50-6 900 (660) 3 3 4 d
М50Ф-3 900 (660) 3 3 4 4
12ЧНСП 18/20 1000 (736) 3 3
[ТД:
АИ-24 1500 (1100) 2 2 3 3
АИ-20А 2700 (1980)
шее увеличеиие килеватости ведет к неоправданному росту сопротивления
движению судна в переходном режиме.
rол развала борта выбирают окончательно из конструктивных сообра-
жении п?сле уточнения ширины пассажирскоrо салона, необходимой и дo
статоч ои ширины скулы и высоты борта. В примере для размещения трех
дизелеи в одном отсеке ширина MOTopHoro отсека должна быть не менее
5,7 м. Отсюда ширина по скуле на миделе должна быть не менее 6,0 м. При
определении осадки (см. табл. 2.10, позиция 51 схемы расчета) принимается
.осредненный коэффициент полноты водоизмещения 6 0,42.
Полученную из решения уравнения вместимости высоту борта изменяют
по конструктивным соображениям при разработке принципиащ,ной схемы
общеrо расположения (рис. 2.19) применительно кразмерениям среднеrо по
водоизмещению судна и принимают одинаковой для всех вариантов. После
установления приведенной высоты борта Н пр уточняют длину судна по КВЛ
и наибольшую. Необходимо обеспечить (в частности, при определении вы-
соты до палубы переборок) удобство перемещения пассажиров вдоль салона,
7. е. палуба салона должна быть плоской, без поrиби и седловатости (рис. 2.20).
Принципиальная схема общеrо расположения необходима в дальнейшем
также для определения положения ЦТ судна по длине и положения HocoBoro
или KopMoBoro крыла. По этой схеме может быть уточнена высота эквивалент-
Horo бруса для расчетов общей прочности корпуса. Поскольку пассажирский
салон должен иметь хороший обзор, ero остеклению уделяется большое вни-
Мание. В связи с этим необходимо предусмотреть конструктивные меры для
привл чения тентовой !Iалубы к работе в составе эквивалентноrо бруса.
С этои целью в носовои части пассажирскоrо салона в бортах не делают
окон. носовую переборку выполняют наклонной, как продолжение палубы.
Таким образом, в.ысота эквивалентноrо бруса будет на 2,2 м больше вы-
соты борта до rлавнои палубы. При принятой компоновке судна высоту ма-
шинноrо отделения следует довести до уровня окон салона, и на зтой высоте
расположить верхнюю палубу в нОсовой и кормовой оконечностях судна.
В этом случае в кормовой оконечности образуется удобная проrулочная па-
луба. Принцип расположения ходовой рубки ясен из рис. 2.19.
Запасы топлива следует размещать вблизи ЦТ судна, чтобы ero «цен-
Тровка» не менялась при расходовании топлива. Задача выбора элементов
СПК решается для избранных ЭУ. При решении уравнения масс прежде
Bcero следует выбрать материал корпуса и крыльев. Для этоrо нужно рас-
смотреть, изучить и оценить значимость следующих основных факторов: проч
ности, пластичности, коррозионной устойчивости, усталостной прочности,
технолоrичности и стоимости, а также удельной массы.
75
Поскольку масса корпуса и крыльевоrо комплекса спк составляет су-
щественную долю водоизмещения до 40 45%, то увеличение полезной
rрузоподъемности можно осуществить rлавным образом за счет снижения
массы корпуса и крыльев.
Jtr
1
J
1{.
1
Рис. 2.19. Принципиальная схема общеrо расположения СП К
1 машиииое отделение; 2 буфет; 3 салон иа 90 пассажнров; 4 форпик
If
2
J
..:.
2
":i:!
20
Рис. 2.20. Схема разбивки палубы не.
потопляемости и определения высоты
эквивалентноrо бруса (масштаб по вы-
соте искажен)
1 положенне палубы переборок из услоаий
иепотопляемостн; 2 палуба переборок; 3
ЛИИИя ннжних кромок оконных проемов; 4
пассажнрский салон; 5 форпнк; 6 мотор-
иый отсек
76
Таблица 2.10
Схема н прнмер Р.Сllета .nемеНТО8 спк
Н.
п/п
Расчетиый элемент
1 I
,D, т
Уравнение ХОДКОСТи для системы «тандем»
65
2 V о (V э ), м/с
:3 FrL'1
4 Л н
5 Л к
6 5, м 2
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
ер 2
5 и , м
5 к , м 2
[н, М
[к, М
Ь н , М
Ь к , М
Л
Ь, м'
х
Ь/0,6h и
'о
Т э
hcT' М
L'1R
21 Ха == 1 +
R
22 1]
23 N э на ти хой воде,
л. с.
N э на волне, л.с.
24
4'
ЛИ
Л к
5, м 2
5'
6'
7'
8'
9'
10'
11'
12'
13'
14'
15'
16'
q)
5 и , м 2
5 к , м 2
[н, М
[к, М
Ь Н , М
Ь к , М
Л
Ь, м
х
Формула. rрафик,
таблица
Принято
Табл. 2.1
Формула (3.43)
» (3.10)
» (3.10)
Формулы (3.1),
(3.2)
Формула (3.6)
» (3.9)
» (3.9)
» (3.11)
» (3.11)
» (3.11)
» (з.11)
» (2.15)
» (2.15)
» (2.15)
Формула (2.15)
Табл. 2.3
h CT == 1, lh 8
Формула (3.128)
Рис. 3.36
Формула (2,20)
N: == xaN .a
Уравнение ходкости для
ПО КПК «Пеrа-
сус»
То же
Формулы (3.1),
(3.2)
Формула (3.6)
» (3.9)
» (3.9)
» (3.11)
» (3.11)
» (3.11)
» (3.11)
» (2.15)
» (2.15)
» (2.15)
Варианты
50
16(18,5) 16(18,5)
2,66 2,54
7 7
6 6
12,5 16,2
0,82
5.6
6,9
6,2
6,4
0,89
1,03
6,40
0,97
24,0
0,82
0,086
0,092
2,2
1,16
0,6
1900
2200
системы
5,9
7,3
12,5
0,5
4,1
8,4
4,9
7,9
0,83
1,08
6,9
0,99
24
0,82
7,3
8,9
7,1
7,3
1,02
1,22
6,40
1,12
24,0
0,94
0,081
0,087
2,2
1,15
0,6
2320
2670
«утка»
5,9
7,3
16,2
0,5
5,3
10,9
5,6
8,8
0,95
1,21
6,9
1,12
24
2
16(18,5)
2,42
7
6
20,0
0,82
9,0
11,0
7,9
8,1
1,13
1,36
6,40
1,26
24,0
1,05
0,077
0,082
2,2
1,14
0,6
2690
3080
5,9
7,3
20,0
0,5
6,6
13,4
62
9;9
1,05
1,36
6,9
1,26
24
3
Оконча
тельное
решение
в числовом примере для корпуса использован леrкий сплав В48-4 с пре
делом текучести 30 Krc/MM 2 . Секции сварные термообработанные, их coe
динение осуществлено при помощи клепки. Для крыльев использован ти
та новый сплав типа В Т4 с преде-
ломтекучести примерно 75 Krc/MM 2 .
При расчете масса устройств
(механизмы приводов системы
АУПК) была увеличена на 0,2 т,
масса механизмов (<<колонка» или
вода в стойках при водометном
движителе) на 0,5 кr/л.с.
К массе оборудования добавлена
масса системы автоматики, ориен-
тировочно равная 0,2 т. Масса
собственноrо оборудования, снаб
жения и жидких rрузов пересчи
тана с прототипа, в качестве KOTO
poro принят морской теплоход
«Комета». Масса электрооборудо
вания получена пересчетом с те-
плохода «Стрела».
Экипаж принят в составе че-
тырех человек (одна вахта): капи
тан, рулевой, моторист-электрик,
буфетчица. Запас водоизмещения
80 I 66,7
16(18,5)
2,53
7
6
16,8-
0,82:
7,6
9,2
7,29
7,43
1,04
1,24
6,40
1,15
24,0
0,96
0,08()
0,086
2,2
1,1&
0,6
237(}
273()
71
Про Д о л ж е н и е т а б л. 2.10
I .. ;..."'., "" ": 1 . .
Варианты Оконча-
M .. ._. ' .'. . .. " . ,.
. Рас етиы элем : . таблица I I тельное
1 2 3 решен не
.l7' .. bjO,fil:b... 0,83 0,93 1,05
Формула (2.i5) - 0,083 0,078
18' 'о 0,087
19' 'э Табл. 2.3 0,093 0,089 0,083
20' h CT ' М h CT == 1, 1 h B 2,2 2,2 2,2
6.R \ .. 1,15 1,14
21' ХВ == 1 + ,Формула (з.128) 1,16
R
22'. t} Рнс. 3.36 0,5 0,5 0,5
23' N э на тнхой воде, Формула (2.20) 2300 2860 3270
л. с.
24' N э на волне, л. с. N: == Х В N .B 2640 3280 3730
Уравнения вместнмости, непотопляемости, плавучести 87,7
25 Sc, м 2 формула (2.22) 87,7 87,7 87,7
26 Sбуф, м 2 По средним 5 5 5 5
нормам 3 3
27 S вк, м 2 То же 3 3
28 Sp, м 2 Формула (2.25) 9,6 10,5 11,2 10,5
(в настройке) (2.26) 5 5 5 5
29 Sэ, м 2 »
30 V иез + Мп), м 3 222 222 222 222
31 Нп.п/Т Формула (2.44) 1,8 1,8 1,8 1,8
(на транце) (2.45) 1,46 1,46 1,46 1,46
32 Нп.п/Т »
33 (на мидt'ле) Табл. 4.1 1,7 1,7 1,7 1,7
а/б
34 Vп.п, м 3 (при 32) Формула (2.32) 89 116 143 119
35 ДV м . о , м 3 19 21 22 21
36 Днсперсня объема корпуса, м6 93 93 93 93
(2,2(25)а 2 5]2 а 25 == 0,05
(2,2(26)а 26 ]: а 26 == О, 10 1 1 1 1
(2,2(27)а 2 7] а 27 == 0,1 О О О О О
(2,2(29)а 2 9]2 а 29 0,09 1 1 1 1
((34)а34]2 а 3 4 0,08 51 86 131 '90
((35)а35]2 а 35 0,17 1{) 13 14 13
а 2 156 194 240 198
w 13 12
37 д W к, м 3 Формула (2.34) 10 12
38 W K , м 3 111 (2.зз) 340 371 400 374
39 В СК , м » (2.38) 4,2 4,6 5,0 4,63
39' В ск , м По размещению 6,0 6,0 6,0 6,0
40 J.t Принято 0,95 U,95 0,95 0,95
41 Вср, м Формула (2.36) 5,7 5,7 5,7 5,7
42 % » (2.36) 1 ,57 1.72 1 ,85 1 ,74
43 o Принято 15 15 15 15
44 ,\,0 » О О О О
45 Н', м Формула (2.37) 2,40 2,58 2,74 2,60
46 L , м 6В ек (принято) 36 36 36 36
47 L H', м 2 86,4 93 98,7 93,6
48 Н пр , м Принято 3,5 3,5 3,5 3,5
, Н'
49 L m , м Lm==Lтf{ 24,7 26,6 28,2 26,7
пр
78
Про Д о л ж е н н е т а б л. 2.10
П н, / . п РасчетИbIЙ элемент Формула. rрафи\{,
таблнца
Варианты
Оконча-
тельное
решение
2
3
50 L'M Табл. 4.1 22,0 23,8 25,2 24,0
51 Т'М Формула (2.47) 0,90 1,08 1,26 1,10
52 lf П.П, м Т (32) 1,31 1,58 1,8 1,6
1,62 1,94 2,97 2,0
53 Н э , м Н п . п + 2,2 3,7 4,0 4,3 4,0
У ра нение масс
54 Р К , т Формула 12.58) 19,2 23,0 26,9 23,4
55 Р к . у , т » (2.61) 3,0 3,9 4,8 4,0
56 Ру, т » (2.62) 3,3 3,9 4,5 4,0
57 Роб, т Роб == K 1 D 2,2 2,8 3,4 2,8
58 Р с , т Ре == 0,04D 2,0 2,6 3,2 2,6,
59 Р м , т Р М == К 2 N п . х lf),1 10,1 10,1 10,1
(днзель М50-6)
59' Р М , т (rтY) Р м == К 2 N п . х 6,5 6,5 6,5 6,5
60 Р э , т Р э == K 2 D'/3 2,5 2,9 3,4 3,0
61 Р сн , т Р си == K4 D 1,2 1,6 2,0 1,6
62 Р ж . r , т Р ж . r == К 5 D'/з 0,9 1,1 1,2 1,1
63 Дедвейт, т:
63а экипаж 0,15 п э 0;6 0,6 0,6 0,6
63б пассажнры Р п == 0,93п п 8,4 8,4 8,4 8,4 ..
63в Р т , Т Формула (2.69) 1,9 2,4 . 2,8 2,4
(дизельная
устаНовка)
63в' Р т , Т (rTY) » (2.69) . 4,0 5,0 6,4
63r масло, вода Р ме == К 6 Р Т 0,2 0,3 0,3 0,3
64 Д1 О О О О
65 Д2 0,3 0,4 0,5 0,4
66 Днеперсия массы судна, т 2
[(54)а 54 ]21 Формула (2.91) 1,8 2,6 3,6 2,6
[(55)а 55 ]2 а 55 == О, 18 0,3 0,5 0,7 (),5
[(56)а 56 ]2 а 56 == 0,12 0,2 0,2 0,3 0.2-
[(57)а 57 ]2 а 57 == О, 18 0;2 0,3 0,4 0,3
((58)а 5в ]2 а 5В == 0,19 (), 1 0,2 0,4 0,2
[(59)а 59 ]2 Формула (2.92) (),8 0,8 0,8 0,8
(60)а 60 ]2 а 60 == 0,16 0,2 0,2 0,3 0,2
(61)а 61 ]2 0'61 == 0,20 0,1 0,1 0,2 0,1
((62)а 62 ]2 0'62 == 0,25 0,1 0,1 0,1 О, J
(63а)а 6за ]2 0'6за==0 " О О О .
v
[!63б)а 6з б]2 0'6зб==0,10 0.7 0,7 0,7 0,7
[(63в)а 6зв ]2 0'63В==0' 13 0,1 n,1 0,1 0.1
(63r)a 63r ]2 0'6зr==0, 14 О О О О
((64)а 6 4]2 Не учитывается О О О О
(65)а 65 ]2 » » О О О О
L(P;a;)2 4,6 5,8 7,6 5,8
67 дD, т Формула (2.72) 1,8 2,0 2,3 2,0
79
Продолжение табл. 2.10
Варнанты Окоича-
N. Формула, rрафик.
пjп Расчетный элемент таблица I I тельное
1 2 З решеиие
'Вариант «тандем» (дизельная установка)
681 '2.Pi, т 1(54)+(55)... + " 57,61 66,0 J 74,4 66,7
69 + (65) + (67) .. +1,0 5.6 О
АР, т . АР == '2. Pi D +7,'6
Вариант «тандем» (rтY)
I '2.P i .T I 56, 1 I 68,01 74.41 65,0
АР, т +6.1 5,6 О
Вариант «утка» (rTY и водометы)
59 Р М . т 9,5 9,5 I 9,5 9,5
63в Р Т , т 4,8 6,1 7,8 7,3
68 '2.PI, т , 59,9 69,1 . 78,8 76,5
69 АР, т +9,9 +4,1 1,2 О
на модернизацию заказчиком не oroBopeH, вследствне чеrо принято 1 == о.
«Запас техническоrо проrресса» в числовом примере принят орнентировочно.
При расчете дисперсии масс учтена дополнительная поrрешность, вно-
симая неточностью определения aprYMeHTa (параметра):
для корпуса поrрешность объема корпуса
.. 2 ( 2 ) 2.
UKWF= V (а к ) + -з аw '
(2.91)
для механизмов поrрешность расчета мощности механизмов и
КПД винта
а м == V (а р . м )2 + (а N)2 + (а,,)2.
(2.92)
Уравнение масс решено rрафически (рис. 2.21) путем построения зависимо-
сти P == f (D).
В числовом примере получена сходимость при D == 66,7 т для дизель-
Horo варианта и при D == 65,0 т для rазотурбинноrо. Все вычисления
приведены в табл. 2.10.
Для окончательноrо варианта строят зависимость сопротивления и тяrи
БИНТОВ от скорости И уточняют режим работы rлавной ЭУ. При построении
кривой сопротивления учитывают, что ширина по скуле принята большей,
чем требуется для обеспечения минимальноrо сопротивления в переходном
режиме. Кривую сопротивления строят по данным табл. 2.3 и формулам
(2.16) и (2.17), кривую тяrи винтов по rрафикам (см. рис. 3.36 и 3.38),
а также по формуле (з.85). Все подсчеты произведены в табличной форме
(табл. 2.11). Тяrа винтов определена для эксплуатационной и полной мощ
ности.
ПО данным табл. 2.11 на рис. 2.22 построены кривые сопротивления
судна при волнении моря 4 балла и на тихой воде, а также показано предель
ное положение кривой сопротивления судна на волненни при степени риска
V == 0,20.
80
:z:
Е:
U
.00 $
'" "'" C'I '" '" :g
"'t lC I о lC 1 ф It:) <о
'" .... о <о r-- о о' "'" It:) <о
"'"
N
:2 '" "'" Il) !;:; 00 '" r-- о 00 о
"< '" I о .... '" '" lC r-- "'" ф
, ф ф
о .... о r-- о о lC <о r--
"'"
00
о 00 r-- '" lC О g lC lC ф N
":! <:'1 I о ос> <о о о '" с: "'"
. о
r-- о lC <о r-- .... о <о r-- 00 N
'"
"'" '"
00 "'" N '" '" '" N !;:; о
о I о lC "'" r-- '" lC
..; . 'fli ё;:i
о О lC <о о о ф r-- Ф
;:.. '"
><
'" о
<: 00 "'" '" о t'-- ос> t'-- 00 lC
о q О. с: I о '" N <о '" lC '" .... 00
I't ё;:i
'" о lC <о <о о о t'-- ос> '"
'"
'"
'"
о( ф
ос> 00 "'" о '" <:'1 lC t'-- '" Ф
и, '" "'. 1 о о r-- lC 00 '" lC t'-- <о '" 1
.о с:5 о.
.. .... о lC <O <о о о r-- 00
u
О
О.
О
:< S "'" .... 11':> .... с> с> О
',,) 00 ос> I r-- о 00 &Q. .... О 00 1
с:5 о 00
"'" .... <о r-- QO о ,о '" о
N
11':>
.... "'" !о о '" 11':> <о lC '"
r-: I "'" о t'-- "'" '" I
с:5 о ci .
.... r-- 00 '" о с> ос> ::
C'I N
<:'1 :! '" .... !о о !;;; .... '"
<D <о I lC '" "" "" "'" <:'1. I
с:5 о
00 .... 00 00 '" о о 00 '" ::
11':>
"'" r-- ' lC LQ. r-- "'" "" о N
'" lC I "". <.о 00 '" lC <о <о "': I
с:5 о
lC ..... r-- «- 00 о о ос> '" ,
.... . ....
r-- lo1S и и
'" .; .;
'= 00 <: .;:.
-& '" + о
"'", c'i G' ;:: 00 . 8 о N
0.", .... + '" 1;:" "" о N
'"" 11 с"5 1;:" s N c'i
1 .; .. .... 11 lC 11':>
'" r-- 11 11
<:", \о 11 ,; u и
».. ro ::z; ,.: .. ::s; :=
:>: <:><: 11 .. '"
о. r-- <; ;:: <:><: <:><: о.. <: <: о..
о » 11
е ::е 11 := :=
Q. '"
О <:><: Q. Q. Q.
Э .. t:: t::
<><;
"':а " " :=
:а= '" .. " .. <J <J <J <;
"'= » .. !-< !-< !-< :=
.... ;:: .. Q.
"'= .. 1"' ::е
r;<: ::.. ,; <><; .. е::
",,,, <><; <:><:
р"..
111
1:1:
О
>с
:1:
...
u
О
:1:
...
1:;
111
It
::s:
111
о
..
:1:
:1:
111
:1:
...
'"
..
ri
:1:
:1:
Ф
1:;
111
:1:
..
О
о..
с
O
u "
ф 1:1:
'3 :1:
u 111
111 ..
0..=
0..;';
'"
:1: ':1:
= 0..0
(..j с
111 :1: g
::r 1111'1
:1: t:l:
Ф 1:1:
tO >с
..... U
81
По rрафику (см. рис. 2.22) определим:
.:...., :Эксплуатационную скорость в заданных условиях плавания (нахо-
ДИТСЯ в пределах 36,0 39 уз); ,
, ..., скоыость судна, идущеrо полным ходом на тихой воде с полным rpy-
30М (41)'з при дизелях М50-6 и 43,5 уз при дизелях М50Ф-3);
, ,.- . заданную дальность хода (обес
j р печ11вается при скорости 38 уз и менее);
+.JD эксплуатационную скорость (це-
лесообразно выбрать в диапазоне
37 38 уз. При этом с каждоrо дизеля
будет сниматься около 900 л. с.);
запас тяrи винтов на rорбе со-
противления при эксплуатационной мощ
ноСти (практически отсутствует). Разrон
судна возможен только при полной мощ-
ности. Необходимый запас тяrи, обес-
печивающий быстрый выход судна на
крылья, может быть обеспечен при ди.
зелях М50Ф-3.
ДЛЯ определения положения носо-
Boro крыла по длине судна необходимо
определить «центровку», т. е. положе-
ние ЦТ по длине. В первом приближе-
нии расчеты выполняют по укрупнен
решенне ным показателям с использованием
принципиальной схемы расположения
(табл. 2.12). Расстояние между крылья-
ми L Kp 20,0 м находят из уравнения
моментов. В результате расчета полу-
чены удовлетворительные элементыСПК.
Необходимо подобрать или разработать теоретический чертеж, чтобы
проверить возможность размещения судовых помещений ЭУ, устройств и
rрузов. При крыльевой системе «утка» и водометных движителях полное
+5
50
5
Рис. 2.21. rрафическое
уравнения масс
1 для СПК с дизельиой ЭУ; 2 для
. СПК с [ТУ ... .
Таблица 2.12
Схема и пример расчета ((центровки» СПИ
Раздел (статья)
Масса. т
Xg' м Мх, тм
12,2 286
9,6 38
12,2 49
16.6 47
9;8 25
3,7 38
7,8 23
12,7 20
7 8
10 6
16,7 14()
10,6 29
II 22
10,96 731
Корпус
Крылья
Устройства
Оборудование
Системы
Механизмы
Электрооборудование
Снабжение
,Жидкие rрузы
Экипаж
Пассажиры
Топливо, вода, масло
Запас водоизмещения
.полное водоизмещение
23,4
4,0
4,0
2,8
2,6
10,1
3,0
1,6
1 1
. 0:6
8,4
2,7
2,0
66,7
82
Рис. 2.22. Кривые
сопротивления суд- 70,
на и тяrи винтов
1 сопротивление в
переходно" режиме
при оптимальной ШИ W
рине корпуса по скуле;
2, 3 расчетное со-
противление движению
судна соответственно
на тихоЙ Боде и при
волненИи 4 балла; 4
верхняя rpaHIII(a поло.
женИя кривой сопРо
тнвления при волнении
4 балла И степенн рн-
ска р 0,2; 5, 6, 7
суммарная тяrа ВИНТОВ
при МОЩНОСТИ соответ.
ственн о 3 Х 900 л. С.;
3 х 1000 л. С.; 3 Х
Х 1200 л. с. (дизели
М50Ф.З); 8 зависн-
МастЬ дальности хода
от скор ости
S, мцли
220
I
00
I
7,0
6,0
/'- -
'--.-
5,075
25
20
v. уз
11
70
9
в
7
v,УЗ
Рис. 2.23. Прннципиальная схема компоновки rазотурбохода на АУПК с во-
дометнымн движителями, rрафик для определения сопротивлення СПК и
тяrи водометов
1 тяrа водометов при мощиости 4500 л. С.; 2, 3 сопротивленне СП!( соответственно
при волнеиии 4 балла и иа тИХой воде
водоизмещение СПК составит около 76,5 .т. На судне необходимо установить
три пд АИ 24 (рис. 2.23).
Аналоrичные расчеты выполняют по измененным требованиям задания
для rрузоподъемности (пассажировместимости) , эксплуатацнонной скорости,
дальности хода и др. Для каждоrо вариаюа судна пронзводят подсчеты эко-
номических показателей, выявляют наивыrоднейший из разработанных ва-
риант, который после соrласования с заказчиком принимают за исходный
для уточнення технических характеристик во втором приближении.
При выборе экономически выrодноrо варианта необходимо учитывать
поrрешность определения стоимостных показателей. Чтобы случайно не от-
бросить лучшее решение, необходимо, исходя из приемлемой доверительной
вероятности, установить доверительный интервал разброса стоимости по-
стройки и внутри этих rраниц считать все варианты равновероятно относя-
щимися к искомому решению. Окончательный отбор приемлемоrо решения
в этом случае осуществляется во втором приближении при использовании
более точных методов.
t 11. Расчет эпементов спк
во втором прибпижении
Целью BToporo приближения при расчете элементов
СПК является окончательное уточнение rлавных размерений судна, схемы
и основных параметров крыльевоrо устройства, типа и состава ЭУ. Резуль-
таты BToporo приближения используются при разработке динамически по-
добных буксируемой и самоходной моделей для отработки на них rидроди
намическоrо комплекса, а также при разработке эсКизноrо проекта судна.
Во втором приближении лучший по технико-экономическим показате
лям вариант судна подверrается анализу с целью выявления путей дальней
шеrо совершенствования основных устройств и конструктивных узлов, OKa
зывающих влияние на экономические характеристики. К устройствам, су-
щественно влияющим на элементы СПК, прежде Bcero относятся крылье-
вые устройства, конструкция корпуса и ЭУ.
12.1. Выбор элементов крыльевоrо устройства
ОТ совершенства крыльевоrо устройства зависят энерrо-
вооруженность, скорость, мореходные и друrие свойства судна. Поэтому
во втором приближении основное внимание должно уделяться выбору наи
лучших сочетаний характеристик крыльевоrо устройства.
На rидродинамические характеристики крыльев оказывают влияние;
площадь несущих элементов, удлинение Крыла, относительное поrружение,
распределение наrрузки между крыльями, характеристики профиля (тип,
толщина, BorHYTocTb), rеометрические характеристики крыльев (сужение
хорды, уrол килеватости, уrол стреловидности и др.).
Все эти характеристики MorYT изменяться независимо друr от друrа,
поэтому выявить взаимное влияние их на rидродинамическое качество крыла
можно, используя вариационный метод исследования. Однако из за большоrо
числа варьируемых характеристик количество возможных вариаций их co
четания и объем работы быстро возрастают.
Объем работы можно сократить, воспользовавшись следующими peKO
мендациями:
относительное поrружение крыльев из анализа может быть исклю-
чено при сохранении неизменной абсолютной rлубины поrружения крыльев,
при этих условиях оно оказывается обратио пропорциональным средней
хорде крыла;
при выборе профиля крыла нужно стремиться обеспечить наибольший
диапазон уrлов безударноrо входа; .
84
из технолоrических соображений нижнюю поверхность крыла целе-
сообразио выполнять плоской, в связи с чем ( == 0,5 ё;
уrол стреловидности крыла ха сообразуется с относительной толщи-
ной профиля ё из условий кавитации;
сужен не хорды крыла (отношение хорды у KopHeBoro сечения к хорде
иа концевой кромке крыла) принимается постоянным в пределах от 1 до 1,5.
Если прннять указанные рекомендации, то количество варьируемых
элементов крыльевоrо комплекса заметно сокращается.
Расчеты кривой сопротивления СПК в режиме движения на крыльях
производят для paBHoBecHoro положения судна на соответствующих скоро-
стях по формулам, приведенным в rл. 111. В этих расчетах принимаются не-
изменными водоизмещение судна и ero «центровка», определенные в перво
приближении. Кормовое крыло, как правило, жестко связано с системои
передачи мощности на движители, и ero положение не меняется относ ельно
корпуса. Положение HocoBoro крыла при вариации коэффициента соот.
ветственно уточняется.
Посадку судна при эксплуатационной скорости на тихой воде задают и,
решая задачу равновесия rидродинамических сил и их моментов, определяют
установочные уrлы крыльев, которые в расчетах при друrих с оростях при-
нимаются неизменными. Здесь надо заметить, что расчет кривои сопротивле-
ния СПК в функции от скорости выполняют для окончательно выбранных
соотношений элементов крыльевоrо устройства. Для всех промежуточных
соЧетаний элементов крыльев расчеты проводят только при эксплуатационной
скорости. Это позволяет существенно сократить объем расчетов.
При определении пределов варьирования элементов К Iльевых систем
следует учитывать требования прочности (при назначении с и числа стоек)
и эксплуатации (общий размах крыльев при швартовке судна, ero доковании
и пр.).
Наилучший по rидродинамическим показателям вариант крыльевоrо
устройства по методам, изложенным в rл. 1У, подверrается oцeH e с точк
зрения прочности. Намечаются конструктивные размеры связеи несущеи
и стартовых плоскостей, а также стоек. Используя rеом трические и KOH
структивные размеры, а также схему крыльевоrо устроиства, определяют
массу крыльевоrо устройства. Массу противосрывных шайб, узлов крепления,
местных утолщений н т. п. учитывают некоторым множителем, определяемым
по прототипу.
12.2. Уточнение массы корпуса
Во втором приближении по методам, изложенным в rл. IV.
определяют внешнне силы, действующие на судно, строят эпюры изrибающих
моментов н перерезывающих сил, набирают конструкцию мидель-шПанrоута,
распределяют толщины обшивки по длине судна и профилей продольноrо
набора. Выполняется расчет местной прочности днищевоrо перекрытия иа
удар о воду.
В соответствии с расчетами прочности и разработанным (или подобран-
иым) ранее теоретическим чертежом по нескольким сечениям строят rрафик
распределения массы продольных связей и поперечноrо набора по длин судна
и методом численноrо интеrрирования подсчитывают массу основнои доли
металлическоrо корпуса судна. Массы остальных конструктивных элементов
металлическоrо корпуса (поперечные и продольные переборки, второсте-
пенные выrородки, платформы, надстройки и др.) определяют по схемам
расположения либо пересчитывают с близкоrо аналоrа. Массы прочих эле-
ментов корпуса (оборудование, покрытие, изоляция и др.) пере читыва т
с судна-аналоrа с использованием надежных параметров и модулеи. У строи-
ства MorYT быть набраны по стандартам.
85
12.3. Уточнение состава .м массы, ЗУ
Во втором приближении на основе уточненной кривой
сопротивления судна в режиме хода иа крыльях уточняют режимы работы
ЗУ. Необходимо добиваться TaKoro положениli, чтобы на всех скоростях и
при всех условиях эксплуатации судна (при полном водоизмещении на за-
данном волнении) rлавные механизмы работали на эксплуатационном ре-
жиме, т. е. при такой максимально возможной мощности, при которой не
накладываются оrраничения на ресурс двиrателей. При необходимости MO
жет быть пересмотрен состав rлавной ЭУ приняты двиrатели друrой маркн
из мощностноrо ряда. После этоrо составляют принципиальные схемы TPy
бопроводов механизмов (топливная система, система смазки, система охлаж-
дения, система подачи и очистки воздуха и др.), выбирают насосы, фильтры,
сепараторы, вентиляторы соответствующей производительности и подсчиты
вают суммарную массу двиrателей и вспомоrательных механизмов, добавляя
к ней массу редукторов, трансмиссии, движителей. Массу остальных элемен-
тов ЭУ (систем дистанционноrо управления, rазовыхлопа, трубопроводов
механических систем, деталей крепежа, устройства амортизации и др.) при-
нимают в виде не которой надбавки к оСновной массе. Для этоrо используют
близкие прототипы.
12.4. Определение состава
электроэнерrетической системы
Для выбора количества и мощности электроrенераторов
производят подсчет потребляемой мощности электроэнерrии всеми без исклю
чения потребителями судна в стояночном и ходовом режимах эксплуатации.
Одновременность включения потребителей учитывают коэффициентом OДHO
временности. Особенности эксплуатации спк в летний (работа КоНдиционе
ров на охлаждение) и осенне-весенний (режим отопления) периоды учиты-
вают отдельно. По наиболее напряженному режиму выбирают суммарную
мощность, а затем подбирают состав электроrенераторов. При этом следует
придерживаться некоторых общих принципов:
желательно, чтобы reHepaTopbI были однотипными;
необходимо, чтобы стояночный режим был обеспечен при работе од-
Horo reHepaTopa;
напряжение и параметры тока выбирают исходя из потребностей
наибольшеrо числа потребителей;
число преобразователей тока должно быть минимальным;
топливо для приводов reHepaTopoB и rлавных двиrателей доЛжно
быть одинаковым. После окончательноrо выбора состава электроrенераторов
подсчитывают массу электрооборудования.
12.5. Уточнение запасов топлива м масла
Во втором приближении окончательно выбирают экс-
плуатационную скорость и режим работы rлавной ЭУ. Используя характери
стики двиrателей, на заданную дальность хода определяют запасы топлива
для rлавных механизмов, для двиrателей электроrенераторов и друrих вспо-
моrательных механизмов, например, приводов rидронасосов, вспомоrатель-
ных котлов и т. п. Эти запасы топлива необходимо несколько увеличить
в связи с тем, что по мере износа двиrателей увеличивается расход топлива.
Кроме Toro, на судне должен быть запас топлива на проrрев rлавных и вспо-
моrательных двиrателей, необходимый при маневрировании в rавани
(у пирса). Указанные надбавки принимаются на основе опыта эксплуатацин
СПК. Таким же образом определяют необходимые запасы смазочных масел.
86
12.6. Обеспечение безопасности СПК
Во втором приближении расчетов должно быть обращено
особое внимание на конструктивные меры обеспечения безопасности СПК.
Основные требования по этому вопросу содержатся в Кодексе безопасности
сvдов с динамическими принципами поддержания [40] и сводятся к следую-
щему. При максимальном проектном водоизмещении расчетный запас пла
вучести судна в соленой воде должен составлять не менее 100%.
Пробои на в rоризонтальном сечении принимается в форме клина, рас-
пространяемоrо на полную высоту борта. Длина поврежденноrо участка
0,1 L или З м + О,оз L, но не более 11 м, rлубина пробоины 0,2 В, но не бо-
лее 5 м. Повреждение днища на любом участке принимается следующиМ=
по длине наименьшим из условий 0,1 L или З м + О,ОЗ L, или
11 м'
.:.... по ширине 0,2 В, но не более 5 м;
rлубина пробояны внутрь судна простирается на 0,02 В, но ие более
0,5 м.
Ватерлиния равновесия аварийноrо судна должна находиться не Me!lee
чем на 75 мм ниже уровня любоrо отверстия, через которое может произоити
проrрессирующее затопление. u
Поврежденное судно должно оставаться на плаву с положительнои
остойчивостью в течение зо мин или в течение времеии, paBHoro трехкратному
экспериментально подтвержденному времени эвакуации пассажиров и эки
пажа с посадкой на спасательные средства, плюс 7 мин.
Уrол отклонения судна от rоризонтали не должен превышать 8° в лю-
бом направлении для всех допускаемых случаев наrрузки и для ек нтроли-
руемых перемещений пассажиров, которые MorYT быть в аварии нои обста
новке.
Заказчик (администрация) может допустить увеличение уrла отклоне-
ния до 16°, а в исключительных случаях и большее, если сразу после повреж-
дения он быстро уменьшается до 12°, при условиях:
наличия эффективиых нескользящих палубных покрытий и поруч
ней'
, нецелесообразности оrраничения уrла крена величиной в 8°.
Уrол крена спк в режиме движения на крыльях при скоплении пасса-
жиров на одном борту не должен превышать 8°, в переходном режиме 12°.
В качестве допустимых принимаются следующие нормы обледенения:
открытые rоризонтальные поверхности зо Kr/M 2 ;
вертикальные поверхности выше уровня воды 7,5 Kr/M 2 ;
paHroYT, поручни, провода учитывают путем увеличения массы льда
на 5% и момента на 10%.
12.7. Замечания к корректировке элементов СПК
80 втором приближении
! В зависимости от характера изменения массы корпуса,
механизмов, КРlыльевой системы, электрооборудования и друrих разделов
может потребоваться корректировка размерений судна. Корректировка про-
изводится по той же схеме, что и в первом приближении, но для вычисления
отдельных величин используются более точные математические зависимо
сти и иные методики.
Как правило, изменение rлавных элементов оказывается незначитель
ным, и корректировка может свестись к окруrлению величии до более удоб
ных в дальнейшем проектировании значений. .
Во втором приближении должны быть также проверены остоичивость
судна на «стопе» И при движении, устойчивость при ходе в крыльевом режиме
движения, непотопляемость при затоплении различных отсеков, маневрен-
ные характеристики (время и путь разrона и торможеиия, радиус циркуля-
87
ции), а также выполнены расчеты rидродинамическнх харllК'l'еристик дви-
жителей.
После уточнения элементов СПК во втором приближении корректируют
теоретический чертеж корпуса, выполняют черте1j}И общеrо расположения
и расположения отдельных отсеков судна (MOTopHoro отделения, пассажир-
ских салонов, санитарно бытовых отсеков, ходовой рубки и т. п.).
Выполненные расчеты и чертежи MorYT быть положены в основу разра-
ботки динамической подобной буксируемой и самоходной моделей для от-
работки и доводки rидродинамическоrо комплекса судна, составления пе-
речня опытно-конструкторских работ и разработки эскизноrо проекта судна.
. Расчеты элементов судна во втором приближении должны завершаться
экономическим анализом. Все технические решения, принимаемые на этом
этапе, проверяют с учетом влияния на критерий оптимизации. Стоимость
судна должна быть определена по возможности более точно с разбивкой на
стоимость изrотовления отдельных элементов конкретными заводами с уче-
том их показателей производительности, оплаты труда, административно-
структурных особенностей а также долевоrо участия каждоrо завода в строи-
тельстве всей серии судов. На этом этапе целесообразна предварительно оце-
нить характер эксплуатации и перечень инженерных средств обеспечения
использования судна.
На основе более точных расчетов производится технико-экономическая
оценка разрабатываемых вариантов судна и по соrласованию с заказчиком
ртбор предпочтительных вариантов для проработки в эскизном проекте.
Для техническоrо проектирования должен быть выбран один вариант.
Весь дальнейший творческий процесс разработки проектной докумен-
:rации представляет собой уточнение и конкретизацию основных принципи-
альных решений, определяющих народнохозяйственную целесообразность
создания судна как инженерноrо сооружения, способноrо выполнять транс-
портные или иные (в соответствии с назначением) операции.
Раздел 11
ПРОЕI<ТИРОВАНИЕ
ОСНОВНЫХ ЧАСТЕЙ СПI<
rnaBa 111. ПРОЕКТИРОВАНИЕ
rИДРОДИНАМИЧЕскоrо КОМПЛЕКСА
t 13. Выбор схемы крыпьевоrо устройства
и ero rеометрических характеристик
Из всех конструктивных узлов и устройств основным
дЛЯ СПК является крыльевое устройство, ero рациональное проектирование
составляет основное содержание разработки проекта СПК. Проектирование
крыльевоrо устройства имеет целью определение основных ero элементов,
при которых удовлетворяются предъявляемые к судну требования, основ-
ные из которых следующие:
обеспечение быстроrо выхода судна на крылья;
обеспечение устойчивости и безопасности движения судна на тихой
воде и при заданиом волнении на всех режимах хода;
сохранение постоянства подъемной силы в широком диапазоне ско-
ростей судна на крыльях;
отсутствие кавитации крыльев, стоек и друrих элементов прн наи-
больших достижимых скоростях на тихой воде и при волнении;
исключение прорыва воздуха к несущим элементам крыльевой си-
стемы, винтам, рулям и закрылкам;
обеспечение заданных мореходных качеств;
наименьшее сопротивление движению судна;
прочность и долrовечность крыльевоrо устройства;
простота эксплуатации.
В процессе проектирования подлежат определению площадь несущих
и стартовых плоскостей крыльев, их форма, размеры крыльев и стоек, yr-
лубление крыльев, установочные уrлы атаки несущих и стартовых элементов,
профили крыльев, стоек, кронштейнов, распределение наrрузки на крылья,
положевие их относительно корпуса, коэффициенты rидродииамических
сил и др.
При опредеJ1ении указанных характеристик крыльевоrо устройства He
обходимо знать большое число элементов, отсутствующих в начальных ста-
диях разработки СПК, что наряду с отсутствием теоретическоrо решения
и широкими возможностями конструктивноrо оформления узлов и элементов
приводит к неопределенности задачи проектирования крыльевоrо устройства.
В связи с этим процесс проектирования крыльевоrо устройства представ-
ляет собой ряд последовательных приближений.
89
13.1. Площадь подводных крыльев
t
Основной характернстнкой крыльев, определяющей их
:подъемную снлу и сопротивление, является площадь, исходной величиной
.для выбора размеров крыла площадь ero поrруженной части.
Опыт отработки наилучших rидродинамических характеристик подвод-
вых крыльев для судов различноrо назначения показывает, что удельная
liаrрузка на крыло зависит от скорости Спк (рис. 3.1). Эта зависимость мо-
жет быть выражена уравиением
. 1 О {1 ехр [ (. a Л} (3.1)
a
-с квадратичным отклонением от MaTe
матическоrо ожидания 22%. в фор- C z
муле (3.1) скорость выражена в км/ч. 2,0
.IJ/S, TC/M z
10
5
1,5
1,0
о
40
100
150
Vэ,КМ/"
15 20
.0&0
Рис. 3.1. Зависимость удельной
наrрузки на крыло от скорости
D отечественные СПК; 6 зару-
. бежиые СПК
Рис. 3.2. Зависимость C z от а крыла
ИЭР-1В при различных уrлах откло-
нения закрылка (профиль cerMeHT;
ё 0,14; "л 5; хорда закрылка со-
ставляет 25% хорды крыла)
1 () + 300; 2 () + 200; 3 ()
""'+100; 4 {) 00; 5 {) 100;
б {) +160
Для умереиных скоростей (от 50 до 90 км/ч) удельиая наrрузка (тс/м')
ос той же точностью может быть подсчитана по формуле
D
A' p V'
S '
. (3:2)
тде миожитель А' зависит от принятой единицы измерения скорости: при
скорости V, м/с, А' 0,1'10 3; пр.и V, км/ч, А' == 7,7.10 6; прн V, УЗ,.,....
А' 0'26.10..-..6. . .
Зависимости (3.1) и (з.2) ПОЗ130ЛЯЮТ определить суммарную рлощадь
поrружеиной части подводнb,I,X' крыльев, при которой MorYT быть ,обеспечены
их удовлетворительные rидродинамические характернстики.
В режиме хода на крыльях на всех скоростях подъемная сила должна
сохраняться постоянной:
C;zS V 2 const.
(3.3)
1If)
Для полностью поrруженных крыльев, не пересекающих поверхность,
коrда площадь остается неизменной,
C Z V2 сопst.
(3.3')
Это условие обеспечнвается либо измеиением уrла атаки путем поворота
крыльев (закрылков) на мехаиически управляемых крыльях, либо путем из-
менения подачи воздуха на вентил.ируемых крыльях, лиБQ за счет изменеиия
дифферента и осадки судна с Нпк малоrо поrружеиия.
Скорость, соответствующая моменту отрыва корпуса от воды, у боль-
шинства судов находится в пределах 0,5 0,6 скорости полноrо хода. Поэ.
тому в момент отрыва корпуса от воды скоростной напор на крыльях сни
жается в три-четыре раза. Для компенсацни падения подъемной силы не-
обходимо либо иЗмеиить во столько же раз коэффициеит подъемной силы
крыльев, либо увеличить площадь крыльев при одиовременном повышеиии
величины C z . Резкое Повышение коэффициента подъемиой силы неПОдвижноrо
крыла может оказаться недопустимым как по условиям потребноrо диффе-
рента судиа, так и по условиям Возникновеиия кавитации. Например
(рис. 3.2), если Спк оборудовано крыльями ИЭР.lВ (без яакрылка О 00)
и на полном ходу суммарный уrол атаки равен 20 (C z 0,2), то при скоро-
сти отрыва, ВДВое меньшей скорости полноrо хода, иеобходимо иметь C Z
0,8. Это возможно, если судну сообщить ДоПолнительный дифферент на
корму в 80. Даже если это достижимо ПО конструктивным особенностям судна,
то недопустимо по условиям кавитации.
Если крыло оборудовано закрылками, то задачу повышеиия величины
C z до 0,8 решают путем отклонения закрылка вниз иа уrол О 16°. На су-
дах с нпк устанавливают дополнительиые стартовые крылья, которые при
движении судна на крыльях выходят ИЗ воды, не создавая дополнительноrо
сопротивления. Суммарная Площадь стартовых крыльев в два-два с поло-
Вииой раза превышает смоченную площадь крыла спк на полном ходу. Стар-
товые крылья MorYT представлять собой отдельные или конструктивно со-
четающиеся с осиовными крыльями устройства. Стартовые элементы часто
выполняют с переменной хордой, увеличивающейся по мере поrруження
крыла в воду, с переменными уrлами атаки и с большой относительной тол-
щиной профиля.
13.2. Распределение наrрузки между крыльями
На распределение наrрузки между крыльями и положение
их относительно корпуса оказывают влияиие мноrие факторы, в Том числе
требоваиия к общей прочности корпуса, мореходиым качествам, ходкости,
а также положение ЦТ судна по длине.
С учетом прочности корпус Спк можно рассматривать как балку на
двух опорах, которыми являются крылья. Распределение наrрузки по длине
балки зависит от особенностей компоновки судна. В первом приближении
наrрузку можно принять равномерной. Обратившись к схеме наrрузки и вы-
званной ею эпюре изrибающих моментов (рис. 3.3), заметим, что иаиболь
ший изrибающий момент будет в пролете при размещении опор (крыльев)
либо по концам балки в точках О и б, либо под ЦТ судна в точке 3'. Эпюры
изrибающих моментов для этих случаев положеиия опор будут: О а б
или О 3 б.
При любых друrих сочетаииях мест расположеиия крыльев по длине
судна изrибающие моменты окаЗываются меньше максимальных, что блаrо-
ПрИЯТно сказывается на полезиой наrрузке судна в связи с уменьшением
Массы корпуса.
Наименьший изrибающий момент может быть получен при размещении
крыльев по длиие суди а в точках }' и 5', т. е. иа расстоянии 0,25 L m от штев-
Ней. Эпюра изrибающих моментов в этом случае имеет вид О 1 d 5 б.
91
;
Абсолютные величины изrибающих моментов в сечениях опор на миделе
одинаковы.
Практически из-за необходимости размещення винторулевоrо комплекса
:в районе кормовой оконечности кормовое крыло располаrают там же. Только
при применении водометных движителей, размещенНЫХ в корпусе, кормовое
.крыло может размещаться относительно корпуса более свободно, что может
T
1=1
1<2
о
'Х
l{=J1.
"т
М ще
J)L -та х
+ 100
+0,05
o, 05
o,100
М uэа
JJL max
Рис. 3.З. Эпюры изrибающих моментов в зависимости
от расположения крыльев (движение на тихой воде)
.быть использовано при проектировании для снижения изrибающеrо момента.
Для повышения мореходных качеств СПК необходимо уменьшать уско-
рения, воздействующие на корпус. Положеиие крыльев по длине судна
определяет величину вертикальных ускорений, которые, как это вид
НО из рис. З.4, оказываются наибольшими, если расстояние между
крыльями равно расчетной длине волны. Коrда на длине, равной расстоя-
нию между крыльями, укладывается несколько волн, то вертикальные YCKO
рения уменьшаются по периодическому закону с пиками на кратных числах
отношения L Kp : "в'
Уменьшение вертикальных ускорений с увеличением длины волны объис-
няется тем, что судно начинает «следить» за профилем волны, а с уменьше-
92
нием тем, что соответственно длине уменьшаются и высоты волн; скосы
потока и величины дополнительных сил на крыльях.
Для крыльевых систем с НПК расстояние между крыльями следует
выбирать либо большим длины наибольшей волны заданноrо спектра волне-
ния "в mах, либо меньшим нее, приближаясь к длине волны, характеризую-
щей нижнюю rраницу заданноrо спектра Ав miп:
L Kp I
1,4Лв тах < < 1, 7Ав mах;
А. т.- <о,п.ml" ..
О L Kp
,4"'Вmlп <
"в min
Необходимо отметить, что амплитуда килевой
ностях прн этом несколько возрастут.
(3.4)
качки и ускорения в оконеч-
<u
.g
::з
Е::
g..
""':::;
::t
0,5
::t
CJ
I\)
t.J
1
о
.2
1
J
4
/;кр
J:i
Рис. 3.4. Зависимость вертикальных ускорений от
соотношения длины волны и расстояния между
крыльями
Для судна на АУПК соотношение между длиной расчетной волны и рас-
СТоянием между крыльями не имеет принципиальноrо значения и в расчет
не должно приниматься.
На расстояние между крыльями может оказать влияние также скорость
судна. Известно, что при движении крыла под поверхностью воды над ним
образуется система поперечных волн, являющихся источником волновоrо
сопротивления.
Скос потока, вызванный носовым крылом, может быть использован для
получения дополнительной тяrи на кормовом крыле, а волновая система кор-
MOBoro крыла по фазе может быть сдвинута таким образом, чтобы поrасить
Сопротивление, вызванное волновой системой HocoBoro крыла.
Предельно допустимое расстояние между крыльями в системе «тандем»,
Коrда имеет место положительное взаимодействие между ними, может быть
найдено из соотношения
V V
[н [н
V Э g Lкр<13Vэ g'
(3.5)
Если неравенство (З.5) может быть удовлетворено, то дЛЯ СПК предпоч-
Тительна система «тандем» С равномерным распределением наrрузки между
КРыльями.
93
,
, Из уравнения равновесия сил, д йствующих на СПК (рис. 3.5), нетрудно
найти завнснмость для определення расстояння между крыльямн. Еслн по
о/lOжн'!:ь
то
ZH
ljI == ZK t
(3.6)
l+q;
L Kp == .(Xg + lpr Х к ).
Ip
(3.7)
Величнной ер, как правило, задаются заранее.
Из формулы (3.7) видно, что расстояние между крыльями зависит от
положения ЦТ судна и места расположения KopMoBoro крыла. На рис. 3.5
заштрихованы области расположения крыльев построенных СП1(. Н боль-
шнй разнос крыльев (рис. 3.6) характерен для снстемы «тандем) (q:> 1).
94
z
XIf
Рнс. 3.5. Схема сил, действующих на СПК, отражающая
взанмосвязь между коэффициентом распределения на-
rрузки ;Р и расположением крыльев по длине судна
о место расположения крыльев иа СПК и КПК
..,......
Равенство (3.7) леrко преобразовать к виду
1
q:>==
(з.8)
L Kp
Xg + lpr хк
В зависимостн от распределения наrрузкн крыльевые снстемы подразде
ляют на следующие: «утка» (ер 0,50), «тандем) (0,65 ;р 1,50), «само-
летная» (ер 2,0). Смоченная площадь крыльев может быть распределена
между носовыми н кормовыми крыльямн
по очевидным соотношениям
Sи== S;
l+<p
1
SK== S,
l+rp
L Kp / L
1,0
(3.9)
Из изложенноrо вндно, что наиболее
сложным является окончательный выбор
расстояния между крыльямн ввиду про
1'иворечивости требований и возможностн
неоднозначноrо решения, особенно для
случая проектирования СП1( с неподвиж
ной крыльевой системой.
Для судна на АУПК эта задача суще
,ственно упрощается. Если по условиям
,обеспечения необходимой скорости не пред
тавляется возможным использовать поло
жительный эффект взаимодействия крыль-
€B, то расстояние между АУПК выбирают
из условий получения наименьшеrо изrи-
бающеrо момента (0,5 0, 7 L).
При расположении малопоrруженных
!Крыльев на речных СПК следует учитывать
вредное влияние на крылья близко распо-
ложенноrо rлиссирующеrо корпуса. Для исключения скоса потока от днища
и улучшения условий работы HocoBoro крыла в режиме выхода на крылья
-ето следует располаrать ближе к носу судна. В районе же расположення
KopMoBoro крыла целесообразно, еслн невозможен подъем батоксов, вынестн
кормовое крыло за транец.
2
r
Рис. 3.6. Зависимость расстоя
ния между крыльямн от коэф-
фициента распределення на-
rрузки
13.3. Определение rеометрических характеристик
крыльевоrо устройства
По площадн HocoBoro н KopMoBoro крыльев, определяют
хорду н размах каждоrо из них. Предварнтельно следует удостовериться
в возможности применения системы взаимодействующих крыльев «тандем».
Если удовлетворяется неравенство (3.5), то носовое и кормовое крылья вы-
полняют неразрезными.
С целью исключения влияния концевых вихрей HocoBoro крыла на KOp
мовое крыло, последнее по размаху принимается равным примерно 0,8 раз-
маха HocoBoro крыла (рис. 3.7).
Для быстроходных судов взаимодействие крыльев системы «тандем»
может оказаться отрицательным. В этом случае одно из крыльев (носовое
или кормовое) целесообразно разделить на два полукрыла (рис. 3.7, 6 и в)
с ра.знесением их к бортам так, чтобы разрыв между внутренними кромками
был равен размаху крыла, установленноrо в диаметральной плоскостн.
С целью уменьшения индуктиВноrо сопротнвления относительное удли
lIение крыльев необходимо выбирать возможно большим. Определенне reo-
95
а)
.
......
1.,,
....--
""
........
L I
:64 п 1
V Э
о) ......-- - .........
<:....... )1
..................................L
) 2
.L........
.........
......... )1
...:>
.............................. ...........................
о, 6't уз -а
8)
Z
r =
................
<
................
2 ===
Z
.............
Z
::
Рнс. 3.7. Схемы крыльев: а иеразрезное; б носовое разрезное;
в кормовое разрезное
1, 2 контуры волновых впаднн соответственно HOCOBoro н KopMOBoro кры.пьев
96
метрических соотношений крыльев, их формы в плане во MHoroM зависит
от инженерноrо опыта конструкторов. Однако в силу действия объективных
законов rраницы возможноrо изменения rеометрических характеристик
крыльев имеют пределы.
В частности, удлинение OCHoBHoro крыла. (несущеrо наибольшую на-
rрузку) зависит от скорости судна, а пределы ero изменения практически
укладываются в диапазон
л==
V s (уз)
Назначив в этом диапазоне
значения Л Н и "'К, нетрудно опре '1
делить размах и хорду каждоrо
крыла
[i==У Si/Ч; )
[.
bi ==...2.....
Лi
Поrружение несущих плоско
стей крыльев обусловлено задан
ной волнопроходимостью, т. е.
наибольшей высотой волны, над
которой судно проходит, не Ka
саясь ее вершины корпусом.
Соответствующие соотноше-
ния устанавливают, проанализи-
ровав мореходные качества СПК.
Поrружение нижней точки Hecy
щей плоскости крыла (рис. 3.8) в
среднем равно 0,6 высоты волны
3% -ной обеспеченности. Отсюда
относительное уrлубление нижней
точки несущей плоскости леrко
найти из соотношения
(3.11)
h . O,6h B
l
bi
(з.12)
300
(1 :!: 0,4).
(3.10)
J
2
'"
1
о
J
4
{j
hб,М
<:
",,-
1
;?>
.u 2
I
1
J
h,M
Рис. 3.8. Зависимость
rлубления крыла от
о отечественные СПК;
СПК
клиренса и за
высоты волны
/', нностранные
Клиренс в среднем равен по
лавине высоты волны 3% ной
обеспеченности. Таким образом, отстояние нижней кромкн крыла от OCHOB
ной примерно равно 1,1 h B . Исходя нз этоrо размера следует конструи-
ровать стойки крыльев.
Статистическая зависимость оТстояния кромки крыла от осноВной ли
нии в функции от водоизмещения (рис. 3.9) показывает, что для морских
СПК может быть обеспечена мореходность в 5 баллов пр и водоизмещении
свыше 100 т, 6 баJIЛОВ при ВОДоизмещении свыше 300 т.
Относительную толщину профиля и уrол Скольжения или стреловид-
ности определяют из условий бескавитационноrо обтекания. В первом при-
ближении можно воспользоваться прнводимым rрафиком (рис. 3.10). В сред-
нем коэффициент подъемной силы
Cz==
pV 2 S
(3.13)
Для определения установочноrо уrла
методами проинтеrрировать производную
4 Заказ но 1856
крыла необходимо численными
коэффициента подъемной силы
97
...
....
,
,
;:1
'\ \
\/' \. oI/Л
;<
./
."'" .у/,
d< ",
I.c
"',
\
<1
N .....
'/
У \
,
/' , /'
\
«:;:)
<::) с:> Ir.>
..... «:;:)
N (ппнпи '[10H90H:JO Шо DU/Qd){
02090;;011 n>twodJl !J8Юf<ПН аПI180Ш;;ШО
.
v
:Е
'"
=:
о
- о:(
о
IQ
О
=:
=:
::1
:.:
::с
>.
-&
IQ
t:)
t:)
«:;:)
....
«:;:)
«:;:)
In
::t:
1::::
е::.
CIJ
::з
::,.
qj
::r
&;CIJ
3
с)
't::I
с)
I\q
Ic>
.....
......
I;:)
=:
=
::с
=:
..
-=
о
::с
IQ
о
=
CJ
О
О
'"
..
:!!
с..
:.:
t>:
o
8S-i.?
о t::
::с u
t>: '"
= ::
::с >::
t>: "
О g-
t :!
О
<'о
...,
:.с
<.J
о t::
:Е U
=: '"
<.J :а
=: ::
IQ со.
'" "'-
'" '"
о
t>: ::
'" '"
:.: :а
с,) :r:
CII ".
:r '"
=: со.
с,)
=:
'"
u
ф
с<:)
u
=:
р.
:.с
t::
u
'"
:а
:r:
:r:
'"
со.
...
"
о
:r:
::
I
<J
.:.с
t::
u
'"
:а
::
:r:
'"
'"
..
"
'"
".
'"
...
о
по уrлу атаки вдоль размаха крыла, найти осредненное по крылу значение
производной и, поделив на нее значение C z из формулы (3.13), получить
суммарный уrол атаки
tXl: == Ф + tX + tX о '\tX о . ,3.14)
В плане неподвижно укрепленное носовое НПК рекомендуется выпол
нять стреловидным не только с целью отдаления момента начала кавитацин,
но и с целью улучшения маневренных и мореходных качеств СПI(. При стре-
ловидном крыле на циркуляции создается внутренний крен СПI(. Повыше
ние мореходности связано с частичной компенсацией скоса потока от орби
тальноrо движення воды значительной протяженностью стреловидноrо
с
сн=ь
о. 25 11
,
.'J; '
v
0,20
D, 15
0,10
0,05
z
030
150
Рис. 3.10. Зависимость предельных значений относител ь-
ных толщин профилей от уrла скольжения и скорости на
rранице бескавитациоиноrо обтекания
1 кавитацня; 2 прочность; 3 нижняя rраница ё по усло
ВНЯМ обеспечения прочности; 4 зона ё отечественных пассажир...
скиХ СПК; 5 '1' 00; б V 300; 7 '1' 450; 8 '1' 600
крыл по длине судна. rидрод намические силы на крыле, являющиеся при
чинои вертикальных ускорении и качки, ослабевают.
Отработка профиля крыла и стойки применительно к судну длитель-
ная и кропотливая работа, проводимая в rидродинамических лабораториях,
а также на буксируемых и самоходных моделях. При отработке профилей
помимо rидродинамических характеристик учитывают также производст-
венную технолоrичность крыльев.
Наибольшим диапазоном изменения уrлов атаки, при которых не на-
ступает кавитация, обладают двояковыпуклые профили (рис. 3.11). Из них.
4'
99.
..... 1.0 IQ
' c::,
Nlt..::I
t-':>
C:> c::,
с::,
""
c:;,
"'-1 t-':>
c::, c::r
......
с::,'
c::r
:>';:!tl::I
'"'
...
"=
:zs
1>0
:о:
о
..
.::с о
:!i
... '"
1:; ;.,
::с со.
-& :r:
о "=
:r:
с.. ..
:r:
'"
Х '"
:Q
::с ..
:Q
с.. ..o
<.J .... "
... о '"
::с 0'-&
>< о
11 со.
:Q t::
1:; I
:.: :а
>. ..о '"
'> :>'
:Q '" '"
-&0.
О О ..
со. '"
:.: t:: :!i
t>: :!i
О 1 '"
<)
"1: '" 1
... :аС;;
::<:
::с "о
... O'
'" 8. 11
с.. "',,
\о ,
О 5 Q')
'" .о о
::<: 0:0
:>'0
... '" '
о o.
:.: ..u
<.J "'
... z
:т
::<: '"
<)
-& '"
'" '"
с..
t..
<о
о
с<5 -:;;
'
р. <о
о
""
I
'"
<о
.i:
u
Z
I
'"'
со) ..
<:о' :r:
'"
:!i
..
'"
<)
...
с::.
"' o-;
<х> t--. со 1<) .::t- i'<) <:\J '" с:;,
с:;,' с:;,' c:;, c::::i' c:;, c:;, c:;, с:;,'" ..::
c:;,
........
со)
<:::>...
..
'"
:r
ii!
со
!I
u
..
u
..
.,
.;
:r:
C'-.J
с::,'"
..
==
==
'"
iE
-= '"
... ;;
1:; ..
::<: о.
-&",
'"
"
'" '"
1:; о.
:.: "
>.
о.
е
ь
:.: :r: Х
t
о
... "..о
::<: ","=
5.
:'! 8.
'" t::
g. I
g '-O
::s:: О...
0.'"
"",
О
Ig-
l.."") t
i'<)
с:::,"
.::t-
<:о'"
I.r:,
с::,'"
со
<:o
...
о
:.:
<.J
...
:т
::<:
-&
'" '"
0.'-
t..
..
t--.
c::,
c'i .о
'>
с<:> u :::
-&
<:o ::<: о
cl. о.
t::
симметричный профиль NACA 0009 больше приrоден для рулей. Профиль
NACA 65 206 был применен на американском опытном судне XCH 4 при
скоростях до 74 уз (137 км/ч). Кавитация не наблюдалась. Двояковыпуклый
профиль был испытан в опытовом бассейне для вентилируемых воздухом
крыльев. Технолоrическим недостатком указанных профилей является слож-
ность их изrотовления.
Часто применяют на СПК профили с плоской наrнетающей поверхностью
(рис. 3.12), обладающие существенными технолоrическими преимуществами.
В числе плоско-выпуклых профилей имеются cerMeHTHbIe с острыми HO
совой И кормовой кромками и наибольшим сечением, расположенным на pac
стоянии 0,35 0,50 хорды от носика профиля, и профили со скруrленным
носиком и слеrка приподнятой задней кромкой. Последние обладают б6льшим
диапазоном бескавитационных уrлов атаки, чем cerMeHTHbIe.
Необходимо отметить, что профили со скруrленной носовой кромкой
применяются только для полностью поrруженных подводных крыльев и не
применяются из за повышенноrо брызrообразования и возможных срывов
для пересекающих поверхность элементов крыла. Для этих элементов ис
пользуются cerMeHTHbIe профили с острой входящей кромкой.
Наметив предварительно профиль для несущеrо крыла, нетрудно найти
уrол нулевой подъемной силы профиля
2f
а о = , (3.15)
Ь
который используется в дальнейшем прн определении установочноrо уrла
атаки OCHoBHoro крыла. Формула (3.15) дает точное решение для cerMeHTHoro
профиля с наибольшим сечением посредине хорды.
Для стоек применяют профили двоякосимметричные (чечевицеобразные)
с острой передней кромкой и срезанной задней, плоские со скруrленной пе
редней кромкой, параболические с тупой задней кромкой и клиновидные
с острой носовой кромкой.
Тупые срезы в кормовой части стоек с плавно обтекаемыми профилями
создают за стойкой область повышенноrо (атмосфериоrо) давления, препятст
вующеrо разрежению и повышению их сопротивления. На рис. 3.13 rрафи-
чески изображены наиболее часто применяемые профили стоек крыльев.
Способы проектирования профилей подводных крыльев и стоек с наперед
заданными качествами с применением линейной теории струйных течений
изложены в специальной литературе [13].
Для предотвращения paHHero возникновения кавитации и срыва пОтока
в районе сочленения стойки и крыла место притыкания стоек к крылу сме-
щается от носовой кромки крыла к корме на 30 40% хорды. Заднюю кромку
стойки следует выпускать за кромку крыла. Этим Исключается прорыв воз-
духа на засасывающую поверхность несущеrо крыла с тупой задней кромки
стоек. С целью исключения прорыва воздуха по стойкам и по верхней Дужке
крыла, пересекающеrо поверхность воды, на стойках и наклонных крыльях
устанавливаются шайбы (рис. 3.14).
Для ВЫСОКОСКОРОС1ных СПК (более 130 140 км/ч) кавитации подводных
крыльев и стоек избежать невозможно. Для них применяют суперкавити
рующие или вентилируемые профили несущих крыльев и клинообразные
или параболические стойки. Точный расчет формы суперкавитирующеrо
профиля может быть произведен по формулам и диаrраммам [13, 7], OCHO
ванным на применении линейной теории струйных течений.
Необходимо отметить, что rидродинамические характеристики суперка-
витнрующих крыльев значительно хуже характеристик плавно обтекаемых
некавитирующих крыльев. При одинаковых rеометрических характеристиках
(l, Ь, с, а) коэффициент подъемной силы суперкавитирующеrо профиля при-
мерно в 2,5 раза меньше. Во столько же раз снижается коэффициент rидро-
динамическоrо качества, что ставит под сомнение целесообразность приме-
пения суперкавитирующих крыльев на СПК и указывает на необходимость
поиска иных технических решений.
102
0,2
0,1
О 10
,
0,1
х/Ь
J
0,8
0,8
O,'r
0,2
Рис. 3.13. rрафическое изображение профилей стоек
1 стойки речных СП 1<:; 2 чечевицеобразный срезанный про-
филь для малопоrруженных крыльев; 3 параболический про-
филь для быстроходных СП 1<:; 4 клиновидный профнль для
быстроходных СПI<:
а)
б) .
<>'У
н
[ 2 2
(' J
Рис. 3.14. Узлы крыльевоrо устройства: а сочленение стойки
с крылом и расположение шайб на стойках; б расположение шайб
на пересекающих поверхность воды крыльях
.......
i 14. rндродннамнческнй расчет
крыльевоrо комплекса
Подводное крыло представляет собой специальным обра-
"ом профилированную несущую поверхность, на которой при движении
в воде возникает подъемная сила, уравновешивающая силу тяжести СПК.
Силовое воздействие со стороны жидкости складывается из rидродинамиче
CKoro давления р, действующеrо по нормали к поверхности крыла, и Kaca
тельноrо напряжения т. Эти силы приводятся К rлавному вектору Х и к
[давному моменту Л1А rидродинамических сил.
Проекции rлавноrо вектора на направление движения (rоризонтальная
ось) и вертикаль представляют соответственно сопротивление и подъемную
силу крыла
== А cos (А, х); }
Z == А cos (А, z).
В отличие от принятоrо в rидродинамике направления оси у вертикально
вверх и связанноrо с этим обозначения подъемной силы через У, здесь исполь-
зуется система координат,. общеПрИНЯТая в судостроении (рис. 3.15): ось х
направлена в нос судна; ось у по траверзу (за положительное направление
принято направление правоrо борта); ось z вертикально вверх. Соответст-
венно коэффициент подъемной силы и саму подъемную силу обозначают
индексами, идентичными обозначениям координатной оси z.
Величины подъемной силы и сопротивления крыла зависят от массовой
плотности и коэффициента динамической вязкости жидкости, ускорения CBO
бодпоrо падения, скорости движения, формы, размеров, уrла атаки и COCTO
ян ия поверхности крыла, а также rлубины ero поrружения под поверхность
воды.
В безразмерном виде подъемная сила и сопротивление MorYT быть пред
ставлены соответствующими коэффициентами
(3.16)
2.2
C z == == 11 (форма, А, а, h, Fr Ь, х);
pV 2 S
2Х _ \
С х == pV 2 S == 12 (форма, А, а, h, Re, Fr Ь, х).
Определение коэффициеитов подъемной силы и СОЩ1Отивления подвод
"О'" "ры," , "'ИОИМО,," "' ,т "ОМ"Р""'" "Р""'РИ'''', уело ''''и, 11
отиосительноrо поrружения и критериев подобия является задачей rидроди-
намики крыла.
Строrие теоретические методы исследования rидродинамики крыла
вследствие недостаточной изученности физической картины обтекания под-
водноrо крыла в настоящее время отсутствуют. В связи с этим широко ис-
пользуются экспериментальные методы исследования. В rидродинамике
подводноrо крыла принят принцип раздельноrо определения сил в зависимо
сти от их физической природы. Этот общепринятый в теории корабля подход.
обусловлен невозможностью моделирования при одновременном соблюдении
подобия по числам Фруда и Рейнольдса. Предполаrается отсутствие взаим
Horo влияния сил, обусловленных влиянием силы тяжести и вязкостью жиk
кости.
В соответствии с этим принципом полное сопротивление представляе
сумму профильноrо, волновоrо и индуктивноrо сопротивлений. Профильное-
сопротивление возникает из-за вязкости жидкости. Волновая и ИНДУКТивная
составляющие, определяемые расчетным способом, от вязкости жидкости не
зависят. При расчете коэффициент волновоrо сопротивления крыл а конеч-
Horo размаха принимают равным коэффициенту волновоrо сопротивления
крыла бесконечноrо размаха из решения плоской задачи. Влияние конечно
(3. П)
104
. i
",.....
сти размаха крыла учитывают в индуктивном сопротивлении. Коэффициент
профильноrо сопротивления также определяют расчетным путем.
Влияние вязкости жидкости на коэффициент подъемной силы крыл,а
учитывают поправками к уrлу нулевой подъемной силы и производной от
коэффициента подъемной силы по уrлу атаки.
rидродинамические характеристики крыла зависят от формы и соотно-
шения rеометрических размеров профиля крыла. На rидродинамические-
характеристики профиля крыла оказывают влияние в основном следующие
rеометрические отношения, характеризующие ero (см. рис. 3.15): относи-
тельная толщина профиля, положение максимальной толщины, средняя
кривизна профиля.
z
А
/\
Z
.Н
v
"
о
х
Рис. 3.15. Схема сил, действующих на крыло
14.1. Расчет подъемной силы крыла
Теоретические основы rидродинамики крыла достаточио
полно изложены в специальной литературе [10, 13, 21]. Ниже приведена
расчетная схема без обоснования формул. Подъемную силу крыла опреде
ляют по формуле
л pYS
Z== CzS.
2
(з.18)
Коэффициент подъемной силы плоскоrо крыла конечиоrо размаха вблизи
свободной поверхности находят по приближенной формуле
C z ==
дС z
kfP (а + а о ao)
1 + дС z . kfP (1 +T) ( )
да ПА 1.
(3.19)
lО5
При практических расчетах для вязкой жидкости производную коэффи
циента подъемной силы по уrлу атаки и уrол нулевой подъемной силы при-
нимают соответственио равными
aC z
== 5,5 и а о == 1,74!
да
{в обоих случаях уrол а измеряется в радианах):
Влияние свободной поверхности иа производную коэффнцнента подъем
иой силы учитывается функцией .
krp == 1 (0,5 + с) ехр [ 2 (1i)0,6]. (3.20)
Изменение уrла нулевой подъемной силы профиля, обусловленное влия-
нием свободной поверхности, подсчитывают по приближенной формуле
да о == ; ( klrp 1). (3.21)
Поправку rлауэрта для учета
влияния формы крыла на уrол скоса
потока и индуктивное сопротивление
аппроксимируют равенством
O
15
1 2 J 't 5l,...---
.;:] / / /. V р
,:;j / /, 1
v 7l,...--- ........
, /' V
':ff /j )- !--- ;;;;:о
'jI у / ,/'
7/ /' 9 ........
/1 / ........
/ у ......
j"/
::1 / / 'I
//1 / / / ,'"
,
':/' p
,'1
}! /' / / I I
,:} / / /
i1
10
5
о 2 o
Рис. 3.16. Поrрешность при опреде-
лении подъемной силы килеватоrо
крыла при подсчете по формуле для
определения плоскоrо крыла
1 h K о; 2 h K 0,2; 3 h 0,4 .
4 h K 0.6; 5 б 6%; 6 б Б%; .
7 б 4%; 8 б З%; 9 б 2%
't == 0,09 y 0,04.
z
(3.22)
>с
о<::>
Рис. 3.17. Схема V-образноrо крыла
Входящая в равенство (3.19)
функция ( ) учитывает влияние
заrлубления крыла и ero размаха
на скос потока.
При 0,02 < hJл < 1,0 эта Фуикция может быть подсчитаиа по прибли-
женной формуле
( ) ==0,85+ O, .
.Л ,11 h /л
(3.23)
106
Формула (3.19) может быть использоваиа для расчета полностью поrружен-
ных плоских и малокилеватых крыльев с уrлом килеватости не более 6 80.
ac z кр/оа.
4-
;.:::;.- ::.---- 2
? ft .......3
е-...... ............
;...---
h r
'l
/;
/.'
( ., , ., .
f .
/
.: .'.1 .
J
2
1
о
5
10
'Лкр
у
aC ZKP
Рис. 3.18. rрафик для V образноrо Kpы a
да
1 11 == 1 Б О , (J о; 2 11 ЗО О ; (J о; 3 13 ==. 4Б О , (J == о;
4 13 == ЗО О , (J == 100
4(1,0 ер
по
0,010
0,005
0,00
о
J
2
Рис. 3.19. Изменение уrла нулевой подъемной
силы V образиоrо .крыла
1 с == 0,07: 2 ё 0,06; 3 c О,ОБ; 4 ё 0,04
:.1
i+
jj
Если килеватость крыла превышает указанные пределы, то в расчет следует
вводить поправку. Для определения ее величины может быть использована
диаrрамма И. И. Исаева (рис. 3.16), на которой приведены величины поrреш-
ностей, вычисленные для килеватоrо крыла с удлинением л 6 по формуле
l\
C z пЛоск C z килев
С z килев
.100%.
(3.24)
Поправка принимается с отрицательным зиаком, поскольку килева-
.тость крыла снижает ero подъемную силу.
Подъемную силу плоских подводных крыльев с наклонными стабили
заторами, пересекающими поверхность воды, с достаточной для практиче
ских целей точностью можно определить по формулам (3.18) и (3.19). При
этом за площадь принимают rоризонтальную проекцию крыла, а относитель
ное уrлубление принимают осредненным для Bcero крыла.
Подъемная сила V-образноrо крыла,
пересекающеrо свободную поверхность
'" воды (рис. 3.17), может быть определена
по формуле (3.18), в которой S пред
ставляет rоризонтальную проекцию поrру-
1,5 жен ной площади крыла, а коэффициент
подъемной силы вычисляют по формуле
[де производиая подъемной силы V образ
тj Horo крыла по уrлу атаки сията с [pa
фика (рис. 3.18) в функции от удлииения
крыла Акр, уrла килеватости р и уrла
сужеиия а.
Изменение yr ла нулевой подъемной
силы i'l.a o кр в зависимости от относитель
Horo уrлубления KopHeBoro сечения крыла ho определяют по rрафику
(рис. 3.19).
Уrол килеватости и отиосительное удлинеиие крыла мало влияют иа
характер распределения циркуляции по размаху, в то время как форма
крыла в плане 1], численно равная отиошению хорды в корневом сечении
крыла Ь О к хорде иа кромке крыла Ь к , существенио сказывается иа циркуля
ции.
Максимальное значеиие подъемной силы при 1] 1,25 приходится на
среднее сечеиие крыла, а при больших значеииях положение максимума
подъемной силы смещается к концам крыла. Оrибающая максимальных зна
чений коэффициентов подъемной силы
\
\
1\
\
\ ..-
..-
....... .......
1,0 О
2
;}
Рис. 3.20. Зависимость коэф
фициента f.t от формы плоскоrо
крыла
приведеиа на рис. 3.20.
дС Z кр ( tto А )
CZV a+ oaOKp ,
да cos
(3.25)
f.t 1
С Z сеч
C z кр
Imax
14.2. Расчет сопротивления СПК
]4.2.]. Сопротивление иесущИх 9JIемеитов крыла. В co
от ветствии с принятым принципом раздельноrо определения сил, дейсТвующих
на элемеиты крыльевоrо устройства, представим сопротивление иесущеrо
кр ыла зависимостью
А pV 2
Х == [ CxiSi + С х взsк],
2 .
108
(3.26)
14 .
,1
Коэффициеит сопротивления отдельно взятоrо КРJ:>lла может быть преk
ставлен в виде суммы
С х == С ХПР + С хи + С хв '
(3.27}
Профильиое сопротивлеиие крыла. Это сопротивлеиие воЗиИкает из-за
вязкости жидкости и включает в себя сопротивлеиие треиия .и сопротивле
ние формы. Коэффициеит профильиоrо сопротивлеиия определяют по фор
муле
С ХПР == 2 пл {1 + [(т р + 0,5) CPk ) 0,5] C;z},
(3.28)
rде т р коэффициент, зависящий от C;z, прииимаемый по рис. 3.21 в пре-
делах заштрихованной области.
Коэффициент трения эквивалент-
иой пластины определяют по диаrрам-
ме Прандтля Шлихтинrа Никурадзе
(рис. 3.22) в зависимости от отношения
тр
0,8
Рис. 3.21. Зависимость коэф-
фициента т р от коэффициента
подъемной силы
Рис. 3.22. Диаrрамма коэф-
фициентов трения шероховато
сти пластин по Прандтлю
Шлихтинrу Никурадзе
1 Ь/е 5.102; 2 Ь/е \.\0';
3 Ь/е 2.10'; 4 Ь/е 5.10';
5 1.\0'; б 2.\0'; 7 5.\0'
хорды к высоте буrорков шероховато
сти е.
Индуктивное сопротивление. При
обтекании крыла конечноrо размаха
у Коицов ero наблюдается перетекание жидкости снизу вверх и образование
свободных или КОНцевых вихрей (рис. 3.23).
Причиной образования концевых вихрей является разность давлений
под и над крылом. Вихревые нити, образующиеся вблизи крыла lIa обоих
ero концах, отбрасывают набеrающий поток воды с некоторой скоростью w
вниз. В связи с этим вблизи крыла иабеrающий поток отклоняется на иеко-
торый уrол, а скорость скошениоrо потока иесколько возрастает. Полная
rидродинамическая сила также отклоияется на уrол скоса потока а и , а фак
Тический уrол атаки крыла уменьшается на этот же уrол.
Разложив полную rидродинамическую силу по линии движеиия и пер-
пеидикулярному MY направлению, получим действующую в иаправлеиии
движения силу Х И , вызываемую индуктивным сопротивлеиием, величииа
KOToporo пропорциональна подъемной силе крыла.
109
Коэффициент индуктивноrо сопротивлени может быть вычислеи по
формуле
с 2 ( )
С ХIf == (1 +6) .!!.... ,
п/. л.
(3.29)
в которой надбавка сопротивлении прямоуrольноrо в плаие крЫла (по cpaB
liению с эллиптическим)
6== п(л. I) .1O z.
3
(з.30)
v
...............
1\
ш
Рис. 3.23. Схема образования скоса потока
Волновое сопротивление. При движеиии подводноrо крыла вблизи CBO
бодной поверхности за ним образуется волна (рис. 3.24). Профиль волны за
крылом близок к синусоиде
. 2лх*
Zв==ZоSШ ,
л. в
(3.31)
Z,
rде Zi == относительная аппликата волновоrо профиля.
Ь
110
Для определения максимальной волновой впадииы MorYT быть исполь-
зованы приближенные зависимости
zo==cz [ ex p ( ) +
Fr 2V
ь .
Fr v 2 ] ;
2л.
'У== ехр ( o, 7з;л.О,2);
Zo== C Z (Fr [+ 1)
2
V
прн Fr l == У gl == 1 + 5.
718/2
:с*
х
Рис. 3.24. Схема волнообразования крыла
(3.32)
z
v
1
I
}
Длина волны, образуемой крылом, может быть подсчитана по одной из
эмпирических формул
л. == 2лЬ Fr b 2v.
в .
л. в == 4l(I,25 Fr Ь/ Y ) 0,5;
л. в == 4V Y l/g;
л.в == 2пЬ [:y (Fr Ь 2) + 1];
л. в == 3,7Ь Fr Ь У л.
(з.33)
Для практическоrо определения коэффициента волновоrо сопротивле-
ния крыла можно воспользоваться формуламн Н. Е. Кочина и Н. А. Влади-
мирова
С Х ( 1 4 ) ;
в 2 Fr2 Frb
ь
с 2 . ( )
CXB== exp
2 Fr 2 Fr 2
ь ь
[ 1 exp ( )]
Fr 2 Fr 2
ь ь ,
gb ( 2gh )
С хв == :n;2а,2 ехр .
у2 V2
)
t
,
(.34)
III
Взаимодействие крыльев в системе «тандем» в формуле (3.26) учтено ко-
эффициентом взаимодействия
С х ва == aTC22'
(3.35)
rде C Z2 коэффициент подъемной силы KopMoBoro крыла, вычисленный при
условии отсутствия скоса потока, вызванноrо волнообразующим действием
HocoBoro крыла.
Скос потока в точке с координатами х*., h (при' h 1,0) можно принять
равным наклону касательной к волновому профилю
CXт == == dZ B .
V dx*
(3.36)
Вследствие конечности размаха крыла скос потока не сохраняется оди-
наковым по всей ширине волновой впадины. К краям впадины скос потока
уменьшается, что учтено множителем, который при обычных соотношениях
размаха KopMoBoro крыла (около 0,8 размаха HocoBoro) в системе «тандем»,
по данным эксперимента, равен примерно 0,75. Для крыльев системы «тан-
дем» скос потока на кормовом крыле от волны, образуемой носовым крылом,
можно найти по одной из следующих приближенных формул:
С [ ( h ) . Fr1V 2 ] . L
CXт == 0,75 ехр + cos кр;
Fr 2 b V Fr2V 2;1., Ь Fr 2V
. . ь
(Fr l + 1) cos nL KP
2V Yl/g
I 1
(3.37 )
CXт == 0,8 С 2
V У l/g
В формулах (3.37) абсолютные и относительные rеометрические харак-
теристики относятся к носовому крылу. При установке KopМOBoro крыла
величины скоса потока и установочноrо уrла складываются.
Сила взаимодействия крыльев в системе «тандем» определяется, как это
JJerKO усмотреть из формулы (3.35), величиной и знаком скоса потока в месте
расположения KopMoBoro крыла. При расположении KopMoBoro крыла под
подошвой или rребнем волны скос потока 1'I.a T == О и крылья не взаимодейст-
вуют. Однако кормовое крыло в свою очередь создает систему волн, которые
вместе с волнами от HocoBoro крыла приводят к увеличению амплиТУДЫ
r
волны позади СПК теоретически дО ZT == Zo 11 2, причем волновое сопро-
тивление системы возрастает примерно вдвое.
При расположении KopMoBoro крыла от HocoBoro на расстоянии, равном
длине волны, волновое сопротивление возрастает в четыре раза. При рас-
стоянии между крыльями, равном половине длины волны, образуемой но-
совым крылом, скос потока оказывается отрицательным, сила взаимодейст-
вия направлена вперед (дополнительная тяrа) и амплитуда волн, образуемых
передним и задНИМ крыльями, находится в противофазе. Система волн [а-
сится и волновое сопротивление существенно уменьшается.
При малых скоростях СПК расстояние между крыльями системы «тан-
дем» можно подобрать так, чтобы на эксплуатаципнной скпрпсти реализо-
вать отмеченный эффект. При больших скоростях СПК положительноrо
эффекта интерференции волн можно не достиrнуть. В этом случае систему
неразрезных крыльев «тандем» применять не следует.
14.2.2. Сопротивление выступающих частей и корпуса. К выступающим.,
частям относятся стойки крыльев, рули, rребные валы, кронштейны, [он-
долы обтекателей. Сопротивление выступающих частей определяют по фор
муле типа
pV2
R == CxS,
2
(3.38)
112
в которой коэффициенты сопротивления и соответствующие площади"рассчи"
тывают отдельно для каждоrо элемента.
Коэффициент сопротивления стойки крыла и руля
Схст==2Rs пл+С кав+Схбj,; (3.39)
rде Rs коэффициент, учитываюший кривизну поверхности, Принимае-
мый равным 1,1 для стоек и рулей и 1,2 для кронштейнов.
Сопротивление кавитации клиновидной стойки (руля) при срывном об-
текании
С х кав ==..::... (ё)2 ( 1 + ) .t.
8 Fr1
При плавном обтекании С х кав == О.
Брызrовое сопротивление
(3.40)
, ,
С (ё)2
х бр 4;1., .
,в формулах (3.38) (3.41) ;1., смоченное удлинение' стойки (крыла);
Fr Ь число Фруда по хорде стойки (крыла, кронштейна); S площадь
боковой проекции стойки (крыла, кронштейна).
Коэффициент сопротивления наклонноrо валопровода С х rp. в :::::; 0,2,
а в качестве площади Srp. в принята проекция вала на плоскость шпанrоута.
При передаче мощности через уrловые редукторы к винтам вертикаль-
ными валами, размещенными в стойках, коэффициент сопротивления нижней
rондолы С х rонд :::::; 0,2, а за площадь принята площадь наибольшеrо сече.-
ния пd 4.' . .
При ходе СПК на крыльях корпус не касается воды и испытывает только
воздушное сопротивление .
P B V 2
R возд == С х воад g,. (3.42)
2
[де Схвоад == 0,5+ 0,6; Рв == 0,125 Krc.c 2 /M4 (при t == 15° С).
В переходном режиме на корпус действуют статические и динамические
силы. При малой скорости, характеризуемой числом Фруда по водоизмеще-
нию
(3.41)
Fr ==
V
3.
g V D /у
(3А3)
1,
v
rидродинамические силы, возникающие на корпусе и крыльях, малы по
сравнению с rидростатическими. Водоизмещение судна определяют архиме-
довой силой поддержания, а сопротивление по существующим для водо-
измещающих судов методам с той разницей, что сопротивление выступаю-
щих частей существенно возрастает из-за наличия крыльевоrо устройства.
Для большинства СПК уже при Fr > 2,2 имеет место движение на
крыльях. Сила тяжести судна воспринимается rидродинамическими силами,
Возникающими на крыльях.
Промежуточный режим является переходным. При этом режиме хода
D == У (и кор + икр) + ZKOP + ZKP'
(3.44)
Для переходноrо режима характерно возрастание вместе с ростом ско-
рости силы поддержания крыльев и снижение доли наrрузки, воспринимае-
мой корпусом. В этом режиме сопротивление СП К носит весьма сложный
характер. На практике силу поддержания и сопротивление корпуса опреде-
ляют по экспериментальным диаrраммам, построенным по результатам MO
дельных испытаний корпуса без крыльев, но в условиях переменной наrрузки
113
и «центровки». Такие диаrраммы для одноrо из корпусов rлиссирующих су-
дов приведены, например, на рис. 150, 151 и 152 книrи И. Т. EropoBa и
В. Т. Соколова [10].
Входными параметрами на диаrраммах служат:
коэффициеит статической наrрузки
D
СА == .
уВ3 '
(3.45)
коэффициент центра давления Xd, представляющий собой отношение
отстояния точки приложения равиодеЙСТвующей силы поддержания o
транца (20-ro теоретическоrо шпанrоута) к длине судна. В зависимости от
числа Фруда по ширине корпуса на скуле и указанных входных параметро
с диаrрамм снимают;
относительное сопротивление
корпуса
R
C R == уВ3 '
(3.46)
дифферент 'р;
относительную осадку точки на основиой линии при 20-м теоретиче-
ском шпанrоуте
zf4
Z20 == .
L
(3.47)
Пользуясь этими rрафиками, можио решать и обратную задачу. Напри
мер, при заданной посадке N и Z20) и скорости можио найти подъемиую силу,
создаваеомую на корпусе rидродинамическими силами, и точку приложения
равнодеиствующей этих сил по длиие. Для этоrо необходимо на вспомоrа
те:;:ьном rрафике в координатных осях Xd, СА построить кривые 'i' == сопst
и Z 20 =с const при заданноЙ скорости. В коордннатах точки пересечения этих
кривых находятся искомые величины.
Решая совместно задачу о силах поддержания на корпусе и крыльях
при различных посадках, можно отыскать условия равновесия вертикаль
ных сил для фиксированных скоростеЙ и определить общее сопротивление
корпуса и крыльев, вслед за чем леrко построить кривую сопротивления
СПК в функции от скорости. При этом следует, однако, помнить, что rлисси-
рование дн!!ща СПК приводит к скосу потока на кормовом крыле, а носовые
крылья в свою очередь изменяют картину обтекания корпуса. Взаимное
влияние корпуса и крыльев вносит ОЩУТимую поrрешность в расчет посадки
и сопротивления СПК в переходном режиме при нспользованни метода на-
ложения, не учитывающеrо этоrо взаимодеЙствия. Поэтому сопротивление
СПК в поереходном режш:,е, как правило, принимается после пересчета с бук-
сируемои или самоходнои модели.
При выбранной компоновке крыльевой системы с достаточной для прак-
тики точностью существующими методами расчета можно определить по
садку и сопротивление дв!!жущеrося на крыльях судна. Схема TaKoro расчета
приведена в специальном разделе настоящей rлавы.
15. Учет ВЛИЯНИЯ каВитации несущеrо крыла
При обтекании крыла жидкостью на профиле нарушается
равномерность скорости потока. Соответственно этому меняется также дав-
ление жидкости на крыло в различных точках. При некоторых условиях ве-
личина MecTHoro давления в потоке воды на профиле Р достиrает величины
давления насыщенных паров Pd. Возникает явление вскипания воды ка-
витация, при которой происходят эрозиоиные разрушения, срыв потока,
снижение rидродинамическоrо качества.
114
Кавитация развивается постепенно. В начальной (первой) стадии кави"
тационная каверна не выходит за rеометрические размеры профиля и замы
кается на крыле. Подъемная сила крыла не снижается, но на rранице замы
кания каверны на профиле возможны механические эрозионные разрушения
крыла. Кавитация плавно обтекаемоrо крыла считается недопустимой. Если
же невозможно избежать возникновения кавитации, заранее создают усло
в!!я для развитой второй стадии кавитации, при которой кавитационная зона
замыкается далеко позади профиля (например, суперкавитирующие винты).
Во второй стадии кавитации эрозия отсутствует, но rидродинамические xa
рактеристики профиля существенно ухудшаются. Кавитация нарушает aB
томатическую стабилизацию малопоrружениых крыльев, поскольку подъем
ная сила крыла с охваченной кавитацией верхней дужкой при приближении
к поверхности не уменьшается, как у некавитирующеrо крыла, а, напротив,
растет.
При кавитации крыльев, пересекающих свободную поверхность, воз-
никает срывное обтекание с прорывом воздуха к верхней поверхности крыла
и резким скачкообразным падением подъемной силы. Поэтому для малопо
rружеиных и пересекающих поверхность крыльев кавитация вообще недо-
пустима. Нежелательна кавитация и для rлубокопоrруженных крыльев.
Практический интерес представляет предотвращение кавитации плавно
обтекаемых крыльев. .
Соrласно уравнению Бернулли на rлубине h давление
( V 2 )
pV 2 Р 1
P==Pa+hy+ 2 2 '
(3.48)
rде V и V 1 скорость потока перед крылом и в рассматриваемой точке со-
ответственно, Ра == 10300 Krc/M 2 . Давление насыщенноrо водяиоrо пара
зависит от температуры воды (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Зависимость давления иасыщенноrо водяноrо пара
от температуры воды
t. ос I о I 5 10 15 20 25 30 35
Pd, Krc/M 2 I 62 1 89 125 j 174 I 238 I 32з1 433 I 573
Условием подобии при моделировании кавитационных течений является
равенство чисел кавитаций модели и натуры. Число кавитации представляет
собой отношение
х==
Ро Pd
pV 2
2
(3.49)
rде Ро == Ра + hy статическое давление в жидкости на rлубине h.
На кривой распределения давления по профилю имеются точки, в KO
Торых разрежение достиrает максимальных веЛИЧI!Н (минимум давлеиия).
к.оэффициент избыточноrо давления в этих точках выражается отношением
P Po
pV 2
2
Р==
115
Кавитация наступает, Коrда Р == Ра. В этом случае коэффициент разрежеиия
Ра Ро
pV 2
2
Pmln ==
(3.50)
Для rлубокопоrружеиных крыльев cerMeHTHoro профиля В. М. Лав-
рентьев рекомендует коэффициент разрежения определять по формуле
Pmln == 4,8с + O,4C z .
(3.51 )
a,g.,
5
"
J
2
о
1
2
з
v
............... .
v
v
1,0
х
Рис. 3.25. Кавитационная диаrрамма cerMeHTHoro профиля ё == 0,074
Для малопоrруженных крыльев может быть использована. формула
В. М. Лаврентьева с поправочным коэффициентом А. М. BaraHoBa [5], по-
лученным путем аппроксимации экспериментальной кривой для C z ==
== 0,1 + 0,3
q == 0,856 (ii)l/s 0;076 .
h
(3.52)
Отсюда '
P in == q (4,8ё + o,4C z ).
(3.53)
Для каждоrо KOHKpeTHoro Профиля в зависимости от уrлов атаки и CKO
рости MorYT быть построены экспериментальные кавитационные диаrраммы
(рис. 3.25). На рисунке заштрихованы области кавитации. Верхняя область
представляет собой кавитацию верхней дужки профиля в районе передней
кромки, возникающую при больших yr.'1ax атаки, коrда поток жидкости об
текает носик снизу вверх с большой скоростью. Нижней областью оrрани
чеНi1 кавитация нижней стороны профиля в районе носовой кромки крыла,
возникающая при отрицательных уrлах атаки. Слева расположена область
возникновения кавитации на спинке профиля при нулевом и малых уrлах'
атаки, т. е. при «безударном» входе крыла. Правее заштрихованных областей
представлена зона бескавитационноrо обтекания.
Для большеrо удобства пользования индивидуальные кавитационные
диаrраммы представлены на одной обобщенной диаrрамме. На рис. 3.26 при-
ведена обобщенная кавитационная диаrрамма для семи профилей. Из диа-
116
rpaMMbI видно, что начало кавитации спинки профиля практически не зави-
сит от формы носика обтекаемоrо профиля и определяется координатами
z == 5;
с
==6.
с
(3.54)
Форма носика профиля оказывает влияние на диапазон безударноrо входа;
Профиль Вальхнера со скруrленным носиком имеет существенно большии
диапазон уrлов атаки бескавитационноrо обтекания. Кавитация накладывает
оrраничения на скорость судна.
Скорость начала кавитации для крыла может быт определена из усло-
вий (3.49) и (3.54) с учетом следующих предположении.
1. Разрежение на верхней дужке
профиля, заrлубленноrо на h, изме- Cz/c
няется пропорционально функции
CjJ == 1 ехр [ 2 ЩО,6]. (3.55)
2. Для крыла конечноrо размаха
из за неравномерности распределения
циркуляции по размаху наибольшее
местное разрежение происходит при
наибольшей величине коэффициента
подъемной силы. Тоrда конечность раз-
маха крыла может быть учтена коэф-
фициентом fl (см. рис. 3.20).
Окончательно для точки с коорди-
натами, найденными по формуле (3.54),
скорость начала кавитацИИ крыла ко-
нечноrо размаха, движущеrося вблизи
поверхности,
V .. / Pa Pd+yhb (3.56)
Kb V 0,5pflCjJ.6c
Из формулы (3.56) нетрудно найти
максимально допустимую по условиям
кавитации относительную толщину про-
филя при заданной скорости судна
Ра Pd + yhb
3p;.tCjJ V 2
с==
(3.57)
10
20
5
о
2
10
и/ё
Рис. 3.26. Обобщенная кавита-
ционная диаrрамма
1, 2 cerMeHT (соответственно с ==-
0,038 5; с 0,073 5); 3, 4, 5, 6, 7
профнль Вальхнера (соответственно-
ё 0.0375; с 0,0385; ё 0,075;
ё 0,075; с 0,075)
Для ориентировочных оценок пот-
ребной толщины профилей MoryT быть
использованы формула Кру для cerMeHTHoro профиля
х C z
c==
24
(3:.58)
и формула Вальхнера для симметричных профилей
n C z
c== x .
8 4
(359)
Скорость бескавитационноrо обтекания малопоrруженных крыльев.
больше, чем rJJубокопоrруженных, следовательно, выше бескавитационная
скорость судна. Ее можно повысить также, применив скользящие и стрело
вИдные крылья (рис. 3.27).
111
Скорость набеrающеrо потока на стреловидное крыло V c можно раз-
ложить на перпендикулярную и параллельную размаху крыла составляю-
щие, из которых только первая оказывает влияние на величину подъемной
силы.
Профиль крыла, образуемый сечением плоскостью, параллельной Ha
беrающему потоку, принято называть поточным, ero хорду обозначают Ь е .
Профиль, получаемый сечением плоскостью, перпендикулярной образующей,
называют нормальным, ero хорду обозначают Ь и . Между rеометрическими
характеристиками указанных профилей . имеют место соотношения
)
I
I
а оа COS Х. == а ос . J
Ь Н == Ь С cos х;
.С н COS Х. == Се;
ТН COS Х. == fc;
(3.60)
ан cos Х. == ас;
а)
v
в
- =1
V c
Рис. 3.27. rеометрические характеристики крыльев: а стрело-
видноrо; б СКОльзящеrо
Для случая, коrда нормальный профиль скользящеrо крыла совпадает
с профилем прямоrо крыла, т. е. Ь == Ь И и уrлы атаки их равны, пронзвод-
ные коэффициентов подъемной силы скользящеrо и прямоrо крыльев на-
ходятся в слеДующем соотношении:
дС Z I == дС z cos х..
да С да
Это позволяет использовать для расчета ПОДъемной силы крыла формулы
(3.18) и (3.19). В формуле (3.19) производную dC z / da заменяют на производ-
дС z I
иую по формуле (3.61), а О на а О с == aocos Х и да о на да о с'
да С
Скорость начала кавитации скользящеrо крыла может быть выражена
через соответствующую скорость прямоrо крыла
(3.61)
YKпc== .
cos Х.
(3.62)
118
Если поточный профиль скользящеrо крыла совпадает с профилем пр я-
Moro крыла, то относительная толщина нормальноrо профиля увеличивается
и кавитация наступает быстрее. Бескавитационная скорость обтекания сколь-
зящеrо крыла в этом случае может быть определеиа по формуле
1 / 2 cosx+ V COSX+ 6 ce
V кhe == V кп V " cos Х + V cos х + 6е с
(3.63)
Для уrлов скольжения Х. == 30 + 500 и чисел кавитации Хе == 0,1 + 0,4
можио приближенно принять
11 I+зёе
Укпе == УКп .
cos Х. + Зс е
(3.64)
2,0
\);:
1,9
OQ
1.8
<::> '
&<:>
<:> 1,7
<1.)
0;<'>
1 1 !;
2 J"
1,5
""
'<:> 1.'r
'
<::i'-'
3
1,2
1,1
1,0 10 20 30
О
Рис. 3.28. Зависимость относительноrо роста скорости бес-
кавитациоиноrо обтекания от уrла скольжения
1 скользящее крыло: Ь Н Ь; 2 стреловидное крыло: Ь и Ь,
л == 4, 11 1: 3 скользящее крыло: Ь е Ь и с 0,02: 4 еколь
зящее крыло: Ь е == Ь и Се == 0,06; 5 стреловидное крыло: Ь В == Ь,
л == 3, 11 == 2; 6 прямое крыло с хордой Ь (Х == О)
Как видно из формул (3.62) и (3.64), применение скользящих крыльев
позволяет повысить скорость бескавитаuионноrо хода СПК.
ПО сравнению с характером обтекания скользящеrо крыла характер
обтекания стреловидноrо крыла более сложен. Здесь проявляется так Ha
зываемый «срединный эффект», заключающийся в том, что в центральной
части крыла за счет взаимноrо влияния правой и левой ero .ветвей эффект
скольжения существенно ослабевает, а проявляется в полнои мере только
лишь на концевых частях стреловидноrо крыла.
119
Для приближенноrо определения величины скорости бескавитационноrо
обтекания стреловидноrо крыла достаточно большоrо размаха (л? 3) реко-
мендуется принимать среднюю величину скорости м жду прямым И скользя
щим крыльями. При этом скорость бескавитационноrо обтекания стреловид-
Horo крыла будет уменьшаться с ростом отношения 1] Ь О / Ь К и уменьшением
размаха (рис. 3.28).
16. Расчет Посадки и сопротивпения СУДна
в крыпьевом режиме движения
Применительно к схеме сил, действующих на судно,
движущееся на подводных крыльях (рис. 3.29), уравнения равновесия сил
принимают вид
1: Zi D + т д siп (В '1') р siп (')' + ф) Q cos (')' + ф); ]
1: Xi Р cos (')' + ф) + т д cos (В ф) Q sin (')' + '1'); (3.65)
1: Zi ( i Zi'P) + 1: Xi (ХiФ + zL> D(x g Zgф) + Тдlт P[p Q[Q'
z [, Хн
Х{{
квл
х
х
Рис. 3.29. Схема сил, действующих на СПК
Возникающая н,а винте из-за иаличия скоса потока сила, иаправленная
nерпендикулярно оси винта,
Q == pn 2 D 4 ( 2К л dK 20 ) Л t g "
в 20 о dл о о "
!'де n частота вращения ;винта, об/с; D B диаметр винта, м; К 20 ко-
эффициент момента винта; 1.0 относительная поступь винта. В ypaBHe
ниях (3.65) вследствие малости уrла дифферента sin '1' и cos'P заменены со-
<>тветственно 'р и 1.
Используя допущения инесложные преобразования, аналоrичные пред-
Jlоженным В. Т. Соколовым [10, 34], систему (3.65) леrко свести к двум
уравнениям в безразмерном виде
"" х' 2D
CziSi + C x i S iKl
pV2 Si
(з.66)
CZ!SJt i ZiФ) + CXiS i (хiФ +Zi + К 2 )
2D (Xg ZgФ)
pV2 Si
, ]
(3.67)
120
.-..
sin (')' + '1') + q cos (')' + '1') t sin (В ф)
[де Kl
cos (')' + '1') q sin (')' + ф) + t cos (В ф)
lp + qlQ й т
cos (')' + '1') q sш (')' + '1') + t cos (В ф)
K2
S.
S '
i Si '
[.
[. '.
' T'
. Х !
X. ;
I L
Zi .
Z.
, ['
q .
р'
' Т д .
Р
Первое уравнение в системе (3.67) представляет собой уравнение равно-
весия вертикальных сил, а второе уравнение моментов.
Коэффициенты rидродинамических сил C z и С Х являются функциями
поrружения и уrла атаки и для выбранной в первом приближении компо-
новочной схемы судна MoryT быть выражены через осадку точки основной
линии на кормовом перпеlIдикуляре Z20 и уrол дифферента '1'.
При расчетах применительно к конкретному судну рядом величин, вхо-
дящих в систему (3.67), можно пренебречь. В частности, дЛЯ СПК с дизель
ной rлавной ЭУ, а в ряде случаев и дЛЯ СПК с [ТУ, реактивной тяrой BЫ
хлопных rазов можно пренебречь, полаrая Т д О. Если на проектируемом
СПК предполаrается применить уrловую передачу мощности на винты че
рез «колонку», то у О, а сила, развиваемая движителями, из-за скоса по-
тока, исчезает, т. е. Q О.
в результате решения системы (3.67) должны быть определены посадка
СПК (Z20 и '1') и ero сопротивление ПрI1 различных скоростях. Аналитическое
решение указанной системы практически невозможно. ОНа относительно
просто может быть разрешена rрафическим путем.
Предварительно нужно построить кривые C z f ('1', h). Зате:ll для фик-
сированных значений Z20 в функции от 1); вычислить и rрафически (рис. 3.30)
построить левые части системы (3.67) 1 f 1 ('1') и 2 f 2 ('1') и правые
ее части, которые на указанных rрафиках будут представлены прямыми ли-
ниями (на первом rрафике rоризонтальными, а на втором наклонными).
С BepxHero rрафика на нижний переносится кривая, соответствующая равно-
весию вертикальных сил при фиксированной скорости V 1 кривая 1, пе-
ресечение которой с наклонной прямой, соответствующей той же скорости
V 1, дает совместное решение (точка а) обоих уравнений системы (3.67).
Кривые C Z f ('1', 11) строят раздельно для HOCOBoro и KopMoBoro
крыльев по ранее приведеннЬ!м формулам, в которых к уrлу атаки a добав-
ляется также и ходовой дифферент '1'. При расчете кривой C Z f (1);, ' ) KOp
MOBoro крыла системы «тандем» имеют в виду также то, что выбор установоч
Horo уrла атаки крыла произведен с учетом скоса потока от волны, образуе-
мой носовым неразрезным крылом.
В результате решения системы уравнений для нескольких фиксирован
ных скоростей может быть определена посадка СПК и ero сопротивление.
На основании данных TaKoro расчета строят кривую сопротивления СПК:,
необходимую для решения уравнения ходкости, выбора МОЩНОСТII ЭУ и оп
ределения элементов движителей, а также кривую зависимости дифферента
от скорости, необходимую для расчетов прочности.
17. Продопьная и поперечная устойчивость спк
в крыпьевом режиме движения
Под устойчивостью СПК понимается способность судна
возвращаться в исх.одное положение установившеrося движения на крыльях
при прекращении действия внешних возмущающих сил.
121
1 { и,
Il
V;r
VQ
о
'f
Ez
V1
V2
.V3
о
tpV 1
fJJ lJ 2
<р lJЗ ер
Рис. 3.30. rрафическое решение системы уравнений
равновесия
122
I 2D
Р У' 51
2D(Xg ZgllJ)
II
Р У' 5l
1>
Возмущающие силы в общем случае MorYT быть CBeД HЫ к равнодейст-
вующей, ПРиводящей к перемещению судна в rоризонтальной и вертикаль-
ной плоскостях, и моменту, приводящему к уrловому перемещению судна
в поперечной и продольной Плоскостях. В зависимости от времени действия
внешние силы MorYT вызывать статические и дИнамические явления.
В начальных стадиях проектирования динамическую устойчивость, как
правило, не исследуют, а относят на последующие этапы эскизноrо и техни-
ческоrо проектирования. Вопросы устончивости в статической постановке
мотут быть рассмотрены Прн выборе крыльевой схемы и элементов крь'лье
Вото устройства в начальных стадиях проектирования. I
Ниже рассмотрены продольная и поперечная устойчивость. Попереч-
ная устойчивость по аналоrии с водоизмещающими судами в дальнеЙшем
именуется остойчивостью. Продольная устойчивость движения СПК: на
крыльях до. Жна быть обеспечена во всем диапазоне скоростей для судов
на АУПК: системой автоматической стабилизации, а для судов на НПК:
Конструкцией крыльев.
Дл я обеспечения продольной статИческой устойчивости необходимо co
блюдение следующих условий:
момент ВОЗмущающих сил, действующий в продольной вертикальной
плоскости, должен ВЫЗывать восстанавливающий момент при сохранении
подъемной силы крыльев М возм < М ВОССТ;
топящая возмущающая сила, приложенная в ЦТ, наряду с увеЛиче
нием подъемной силы должна вызывать дифферент на корму.
Основным средством достижения продольной устойчивости движения
СПК: является придание носовому крыльевому устройству большой величины
коэффициента жесткости, под которым понимается производная коэффици-
ента ста бил изации по поrружению.
К:оэффициентом стабилизации принято называть функцию
.z .
F (h, h o , /0)'
ZfJ
(3.68)
rде i, h подъемная сила и поrружение крыла при скорости, отличной от
Эксплуатационной; io, h o , 10 подъемная сила, поrружение и смоченный
размах крыла при эксплуатационной скорости судна.
К:оэффициентом жесткости стабилизации наЗывается функция
== '1 ( h ho ) .
dh 10
(3.69)
На рис. 3.31 приведены зависимости коэффициентов жесткости крыльев
различных схем от поrружения. Из рисунка видно, что малопоrруженные
крылья обладают большим коэффициентом жесткости при малых поrруж -
ниях, в Связи С чем СПК:, оборудованные такими крыльями, при малых из
менениях поrружения (на малом волнении) имеют жесткий ход, а при отно-
СИтельных поrружениях свыше 0,15 коэффициент жесткости уменьшается
настолько, что крылья мало реаrируют на изменения поrружения и ход спк:
на повышенном волнении становится более плавным.
Оптимальной считают кривую 5, характеризующуюся малоii ве.1ИЧИНОЙ
жесткости на расчетном режиме хода и постепенным возрастанием коэффи-
ЦИента жесткости с поrружением крыла. Для выполнения условий продоль
ной статической устойчивости оптимальная кривая коэффициента жесткости
кормовото крыла б ДОлжна располаrаться ниже кривой 5 и не пересекать
ее на всем диапазоне изменения Осадок.
ДЛЯ АУПК: соответствующие коэффициенты жесткости крыльев мотут
быть заложены в законы управления подъемной силой.
Повышения продольной устойчивости СПК: можно добиться следующими
Способами: увеЛИчением расстояния между крыльями, увеличением хорды
крыла в верхней ero части, пересекающей поверхность, увеличением уrлов
123
атаки стартовых элемеитов HocoBoro крыла. а также выполиеиием кормовых
крыльев полностью поrруженными, без стартовых элемеитов.
Остойчивость судна является одним из важнейших качеств, характери-
зующих ero мореходиость. В качестВе меры иачальиой остойчивости обычно
приинмается условная метацентрическая высота
h == МВ (3. )
у D8
В ВОдоизмещающем положеиии поперечиая остойчивость судна обеспе_
чена иеобходимыми размерениями и формой корпуса. На промежуточиых
и больших скоростях остойчивость СПК обеспечивают коиструктивиыми
dF
dh
2,0
1,5
1,0
0,5
о
0,10
Рис. 3.31. Зависимость коэффициеита жесткости от по-
rружения
1 плоское ПОЛнОСтЬЮ поrруженное крыло (h o 0,5; а О 1 О);
2 малопоrруженное плоское крыло; 3 плоское крыло с H
КJlОННЫМИ стабилизаторами н rлубокопоrруженными элементами;
4 плоское крыло с наклонными стабилизаторами; 5 оПТИМаJIЬ
ная кривая для HOCOBoro крыла; 6 оптимальная кривая для
KopMoBoro крыла; 7 rлубокопоrружениое крыло схемы Шер-
теля Саксенберrа (РТ.50); 8 V.образиое крыло «(:\ 26,50;
ho 0,5)
мерами: изменением уrлов атаки крыльев (закрылков) для создания восста-
навливающеrо момента с управлением авТоматическими приборами, измеие
нием подъемной силы участков неподвижно укреплениых крыльев за счет
измеиеиия поrружения крыльев под поверхность, изменеиием поrружеииой
площади крыльев или уrлов атаки (крутка крыла).
Условиая иачальная поперечная метацентрическая высота дЛЯ СПК
с малопоrружениыми крыльями на эксплуатациониом ходу может быть оце-
неиа по формуле [. А. rошева [5 ]
hy == 0,2b')..,2f (h) (Zg + h кл ). (3.71)
rде фуикция. учнтывающая изменение ПОДъемной силы малспоrружеииоrо
крыла от ero заrлубления, МОжет быть подсчитаиа по формуле Б. А. Царева
f (Ji) == 1 . 0,5 .10 Щ. (з.72)
124
Для СПК cV-образными и Пересекающими поверхность трапециевид-
.ными крыльями условная поперечиая метацеитрнческая высота Может быть
ПОДсчитаИа по формуле, рекомеидуемой Кодексом [40]:
h aHIH + aKIK ( . + h )
у == Zg кл .
2tg H 2tgBK
(3.73)
Наиболее иеблаrоприятным для остойчивости режимом является момент
отрыва корпуса от воды' коrда исчезают rидродинамические силы поддержа-
ния. возникающие на корпусе при rлиссироваиии СУДИа, а скорость движе-
ния еще иедостаточна для Toro, чтобы иа крыльях ВОЗиикли восстанавливаю-
щие моменты необходимой величины.
z
Рис. 3.32. Схема HOcoBoro Крыльевоrо устройства для расчета попе-
речной оСтойчивости СПК
При проектировании СПК должно быть уделеио серьезиое виимаиие
ero остойЧивости в момент отрыва корпуса от воды. Необходимо исключить
возможность срыва крыльевоrо режима движеиия СПК в этот момент при
шКвальном ветре. соответствующем заданной мореходности. Для проверки
безопасности плавания в этих условиях необходимо произвести расчет остоЙ,
чивости на больших уrлах крена при ходе судна иа крыльях. При расчете,
так же как и для водоизмещающеrо судиа, необходимо соблюдать условие
равновесия вертикальных сил, т. е. равенство ВОДОИЗМещения и подъемиой
силы крыльев. При креновании условно принимается, что судно не исПыты-
вает качки и поверхность воды ровная (волиение отсутствует).
В общем виде уравнения равновесия и восстанавливающих момеитов
при накренен ии судна MorYT быть записаны следующим образом:
Zi cos (8 д == D;
М в == Zihi sin ! + ZtYi cos В! D (Zg + h кл ) cos 8.
Для расчета иеобходимо вычертить схемы крыльевых устройств но-
COBOro и KopMoBoro (рис. 3.32), пронумеровать участки иесущих плоско-
стей. Уrол килеватости элемента крыла В! отсчитывают от rоризонтальной
Плоскости до Крыла. В> О при отсчете против часовой стрелки и В < О при
отечете по часовой стрелке. Первое наклонеиие производят BOKpyr оси, об.
разуемой пересечением диаметральной плоскости судна с плоскостью ходовой
ватерлинии (BoKpyr точки О), проводят вспомоrательиую ватерлииию ЕЛ l'
При решеиии первоrо уравнения системы (3.74) для первоrо наклонения
находят ватерлинию равновесия, относительио которой затем рассчитывают
велнчииу восстаиавливающеrо момеита. Определение ватерлииии равиовесия
}
(3.74)
125
может быть разбито на ДВа приближения. В первом приближении для ряда
параллельных ватерлиний, отстоящих на I1T, определяют проекцию подъем
ной силы крыла на нормаль к ватерлинии наклонения, предположив, что
дифферент судна неизменен. Результаты расчета наносят на вспомоrатель
ный rрафик (рис. 3.33) раздельно для HocoBoro и KopMoBoro крыльев. По оси
ординат на этом rрафике откладывают величину
I1Z === 2: Zi cos (8 Bi) aD,
(3 5)
rде а доля от водоизмещения, воспринимаемая носовым (кормовым) KpЫ
лом. Пересечение кривых 1 и 2 с осью абсцисс определяет положение paBHO
весия равенство силы поддержания и силы тяжести.
Если точки пересечения кривых 1 и 2 с осью i1бсцисс совпадут, то эта
общая точка и определит положение ватерлинии равновесия. В общем слу
чае точки Т 1 И Т 2 не совпадают 11 pac
стояние между ними определяет вели-
чину приращения дифферента судна ВТ.
Изменение уrла атаки крыльев
леrко найти по формуле iiri
л
дz
11'1' === Т 2 Т 1
L Kp
(3.76)
о
Во втором приближении учитывают
влияние измеиеиия уrла дифферента
на подъемную силу крыльев и уточ-
няют положение ватерлинии равновесия
т; и Т;.
Если разность между БТ во втором
и первом приближениях не выходит
за пределы 10%, то можно оrраничиться
вторым приближением.
Относительно найденной ватерли
нии равновесия HocoBoro и KopMoBoro
крыльев для каждоrо участка несущей
плоскости находят величину подъем
ной силы Zi и точку ее приложения на крыле hi и У; в координатных осях
Y O Z (см. рис. 3.32).
Если в аналитической или rрафическоЙ форме известна зависимость
коэффициента подъемноЙ силы крыла по размаху, то подъемная сила и MO
мент ее относительно начала выбранноrо участка крыла вычисляют интеrри-
рованием по формулам
У 2 1,
л Р S .
Zi === ь C z (1) dl,
о
рУ2 /,
Mzi === ь,! C z (1) ldl.
о
т
<:t:}
<:t:}
<:t:}
дт
ы
Рис. 3.33. Вспомоrательный rpa
фик для решения уравнения paB
новесия СПК: при наклонении
1 Носовое крыло. 2 кормовое
крыло
]
(3.77)
Положение точки приложеиия подъемной силы по длине от начала ин
теrрироваиия определяют из отиошения
l' Mzi ( 3.78 )
' л .
Zi
Найдеиные точки наносят иа схему крыльевоrо устройства (см. рис. 3.32),
и с нее снимают координаты точек приложения сил для решения BToporo
уравнения системы (3.74). При составлении и решении этоrо уравнения He
обходимо помнить,ЧТО за ПОЛОЖJiтельное ПРJiнимается направление момента
126
против часовой стрелки. Накренение СПК: необходимо производить до входа
в воду корпуса или до образования уrла крена, коrда М в === О, т. е. до срыва
крыльевоrо режима движения.
По результатам расчета строят rрафики восстанавливающеrо момента
или плеч статической остойчивости в функции уrла крена для минимально
возможной скорости судна на крыльях и эксплуатационной скорости.
Восстанавливающий момент может быть повышен за счет увеличения
площади стартовых плоскостей, закрылков или пределов изменения уrлов
отклонения закрылков, уменьшения килеватости Пересекающих поверхность
элементов, увеличения установочных уrлов атаки стартовых плоскостей
в иадводной части, введения страхующих элементов и друrих конструктив-
иых изменений крыльевоrо устройства.
При статическом накренении не учитывают моменты от сил, возникаю.
щих на стойках, крыльях и рулях при дрейфе под действием боковоrо ветра.
V B
'"
""
1
Рис. 3.34. Схема сил, действующих на СПК: при боковом ветре
Обращаясь к рис. 3.34, составим уравнение сил и моментов
Rs === Rci+ RKj;
М кр === RBI B + Rci1ci + RKjIKj.
В этой системе уравнений основным для определения поперечной остой-
чивости является второе уравнение моментов.
Опрокидывающий. момент от воздействия ветра иа надводиую часть
СПК
RBI B === SiliPi.. (з.80)
rде Р; давление ветра на единицу площади на соответствующей высоте
от уровня ватерлинии.
Поскольку суммарная боковая сила, возникающая на стойках и крыльях,
равна силе давления ветра [первое уравнение системы (3.79)], то, не прибе
rая к сложным вычислениям боковых сил на элементах подводных крыльев
и плеч этих сил, опрокидывающий момент от силы сопротивления воды пред-
Ставим в виде
}
(3.79)
1
};,Rci1ci + RKjlKj 2 RshKP;
J
(3.81)
Rs === SiPi.
Окончательно креиящий момеит
так:
силы давления ветра можио записать
1
М КР === SiliPi + hKp SIPi'
2
(3.82)
127
Кренящий момент рассчитывают для каждоrо наклонения СПк. с учетом
изменения ero посадкИ, площади парусности и плеч.
Задача о динамической устойчивости СПК в поперечной плоскости ввиду
сложности rидродинамики крыльев и недостаточности знаний внешних сил
представляет собой в известной степени проблему, требующую специальиоrо
решения.
При нормировании поперечной остойчивости СПК необходимо у.читы ть
а) в водоизмещающем положении:
требования ветровой остойчивости,
требования непотопляемости;
б) в крыльевом режиме:
требования ветровой остойчивости при мииимально возможной CKO
рости;
оrраничения по величине ускорений при бортовой качке из условий
обитаемости, по величине крена на циркуляции и требования ветровой остой
чивости при шквале и эксплуатационной скорости.
Нормирование остойчивости СПК должно исходить из условий обеспе
чения безопасности судна. Основные рекомендации по нормированию остой
чивости изложены в Кодексе [40]. Ниже приведены рекомендации, влияю
щие на выбор rлавных размерений СПК.
Крен судна при скоплении пассажиров на одном борту не должен пре
вышать:
80 в водоизмещающем режиме и при ходе на крыльях;
120 в переходном режиме.
Остойчивость СПК прибрежноrо плавания в водоизмещающеМ режиме
должна соответствовать критерию «поrоды», т. е. минимальный опрокиды
вающий момент, определенный с учетом бортовой качки, должен превышать
динамически приложенный кренящий момеНт от шквальноrо ветра силой
7 баллов по шкале Бофорта.
Остойчивость поврежденноrо судна должна оставаться положительной
в течение времени, oroBopeHHoro в Кодексе. Остойчивость судна проверяется
на испытаниях путем прикладывания ряда креНЯЩИХ моментов известной
величины с помощью смещенных от диаметральной плоскости балластных
rрузов и измерения уrлов крена на различных скоростях [3, 40].
Безопасность судна должна быть обеспечена и при обледененни. При
этом по соrласовании с заказчиком MorYT быть допущены несколько большие
величины крена от скопления пассажиров на одном борту.
Учитывая, что переходный режим движения является для боль.шинства
СПК эпизодическим, можно несколько снизить требования к остоичивости
судна в момент выхода на крылья и допустить в качестве нормы среднюю
скорость выдерживаемоrо ветра в пределах заданной мореходности. В слу
чае шквальноrо ветра необходимо при разrоне курс судна приводить к Ha
правлению ветра. Эти оrраничения и рекомендацни должны быть отражены
в инструкциях по эксплуатации судна.
При эксплуатационной скорости СПК должно выдерживать воздействие
боковоrо шквальноrо ветра заданной силы при сохранении крыльевоrо pe
жима движения, т. е. не касаясь корпусом воды. Кроме Toro, необходимо
обеспечить достаточную плавность бортовой качки создать условия оби-
таемостИ и нормальной эксплуатации установленноrо на судне оборудова
ния и устройств. Соответствующие оrраничения по уrловым и линейным уско-
рениям должны быть oroBopeHbI в задании.
Крен на циркуляции для судов с НПК не должен превышать наперед
заданной величины. Если нет указаний, то за предельный крен на циркуля
ции принимают крен в :t 100. На установившейся циркуляции радиусом R ц
при скорости V ц кренящий момент .
V2 ( 1 )
М ..P..... Zg+hкл+ hкр .
Kp .. . 2
g R ц
(3.83)
128
При скольжении судна с креном наружу от центра поворота на стойках
крыльев возникают силы, стремящиеся накренить судно на внешнюю сто-
рону. Восстанавливающий момент на установившейся ЦИРКуляции создается
за счет изменения подъемной силы крыльев вследствие накренения, а также
боковоrо скольжения.
Крылья с прямой V-образностью (В О) и стреловидные при скольже-
нии создают момент, противодействующий крену, а прямые плоские крылья
и крылья с обратной V-образностью (В < О) момент, кренящий судно.
В зависимости от скорости и соотношения возникающих на стойках и
крыльях моментов сил судно может крениться как наружу, так и внутрь
циркуляции. В общем случае уrол крена на циркуляции (рад)
v 2
Ц
Qц==k R '
g ц
М кр 1 Мв
(3.84)
V
rде k конструктивный коэффициент.
В зависимости от соотношения вли'
яния килеватости элементов крыльев,
и х стреловидности, а также стоек
крыльев конструктивный коэффициент
по абсолютной величине может прини-
мать различные значения, а по знаку
быть положительным (крен внутрь цир-
куляции) и отрицательным (наружный
крен).
Уrол боковоrо скольжения (дрейфа)
СПК на циркуляции теоретическому
расчету не поддается. В связи с этим
найти уrол крена на циркуляции рас-
четным путем практически невозможно
без экспериментальноrо определения на
самоходной модели конструктивноrо
коэффициента k.
Для судов на АУПК решают об-
ратную задачу. Сначала определяют
.внешние силы и моменты, действующие
на судно в различных условиях экс-
плуатации, затем по предельным зна-
чениям их с учетом предъявляемых к
судну требований рассчитывают opraHbl
управления подъемной силой крыльев
и их приводы: площади и уrлы Пере-
кладки закрылков (крыльев), скорости
пере кладки, шарнирные моменты и
мощности приводов.
На рис. 3.35 показан порядок определения элементов opraHoB управле-
ния АУПК. В зависимости от соотношения V э , V o , а также положения кри-
вых кренящих моментов (от ветра, центробежных сил на циркуляции, мо-
мента от перекладки руля) положение расчетных точек 3 4 может изме
ниться. Кривая восстанавливающеrо момента должна пройти через одну
из указанных точек, оставляя справа от себя друrую.
При крайне.,м положении opraHoB управления подъемной силой коэффи-
циент подъемно силы достиrает cBoero предельноrо значения, поэтому BOC
станавливающии момент будет ПРОПорционален квадрату скорости.
Разнос элементов изменения подъемной силы крыла определяют по чер
тежам крыльев. Уrлы перекладки (расход подаваемоrо воздуха) находят по
rрафикам влияния э.тих параметров на C z , Шарнирные моменты рассчиты-
вают для наибольшеи скорости, достижимой при 2аданном состоянии моря.
о
V o
Рис. 3.35. Схема, поясняющая по-
рядок расчета остойчивости судов
на АУПК
1, 5 наибольший кренящий момент
соответственно при воздействии на
судио шквальноrо ветра заданной бал-
льности и при средией скорости ветра
заданной балльности; 2 восстанав-
ливающий момент при наибольшем
отклонении закрылков (крыльев) или
аэрации крыльев; 3, 4 расчетные
точкн для выбора opraHoB управления
подъемной силой крыльев
5 3аказ;N, 1856
129
18. Проектирование и расчет движителей
В качестве движнтелей на СПI( в основном применяются
rребные винты и водометные движители. На выбор типа движителя для СПI(
оказывает влияние ряд требований, обусловленных назначением СПК и oco
бенностями ero эксплуатации и направленных на получение высокой рента-
,бельности судна, обеспечение проходимости на мелководье, снижение rиJWО
акустических характеристик судна, преобразование в силу упора больших
arperaTHblx мощностей rлавных двиrателей и др.
Если в основу выбора типа движителя закладывается требование повы
шения рентабельности, то за основной критерий принимают величину Про
пульсивноrо коэффициента. В зависимости от расчетной скорости выrодными
MorYT оказаться различные движители. При скоростях до 80 км/ч предпоч-
тение можно отдать некавитирующим, а при скоростях 80 150 км/ч су-
перкавитирующим винтам. При скоростях более 150 км/ч пропульсивные
7J
0,7
0,6
0,5
O,Lf
D,J o
50
250
V. км/ч
Рис. 3.36. Зависимость средних величин I(ПД дви.жителей
различных типов от скорости
1 rребной винт, работающий в докавитационном режнме; 2 супер
кавитнрующнй rребной вннт; 3 водометный движнтель; 4 воз
душный винт; 5, 6, 7, 8 водометы СПК «Невка», «Чайка,., «Бела
pycь В», «Буревестник»
характеристики водометных движителей и воздушных винтов оказываются
лучшими по сравнению с характеристиками rребных винтов. Области до-
стижимых пропульсивных коэффициентов различных движителей показаны
на рис. 3.36. Нижняя rраница соответствует винтам со скошенным набеrаю
щим потоком и водометам со сложной системой водозабора, а верхняя
винтам, ось вращения которых параллельна набеrающему потоку. Этим rpa-
фиком можно воспользоваться в первом приближении для выбора типа дви-
жителя и достнжимой величины ero пропульсивноrо коэффициента при рас-
четной скорости.
С целью уменьшения осадки СПI( MorYT применяться полупоrруженные
БИНТЫ. В момент преодоления rорба сопротивления винты полностью поrру-
жены и создают необходимый упор. При движении судна на крыльях часть
диска винта оrоляется (до 0,6 диаметра). Упор и КПД винта при этом сни
жаются, оставаясь достаточными для обеспечения хода СПI( (рис. 3.37).
В последнее время наблюдается повышенный интерес к водометным дви-
жителям СПI(, вызванный рядом преимуществ водометов перед винтами:
возможностью применения высокооборотных нереверсивных двиrа-
телей;
простотой обеспечения хорошей управляемости судном в режиме хода
на крыльях и в водоизмещающем положении;
отсутствием выступающих частей;
уменьшением осадки судна;
130
лучшей rидродинамической уравновешенноСТЬЮ, уменьшающей виб-
рацию;
лучшими акустическими характеристиками.
В ряде случаев указанные преимущества MorYT стать определяющими.
В частности, для быстроходных СПI( с большими аrреrатными мо.;цностями
rлавных двиrателей может оказаться практически неосуществимои механи-
ческая передача мощности на rребные винты, а применение водометов станет
единственно возможным техническим решением.
Водометный движитель предпочтителен для СПI(, эксплуатирующихся
на мелководье, а также для некоторых классов боевых I(ПI( в связи с луч
шими акустическими характеристиками. Практика эксплуатации отечест-
венных СПК с водометными движителями подтвердила целесообразность их
применения на быстроходных СПI(. Из иностранных фирм наибольший ин-
терес к внедрению водометных
движителей на крылатых кораб
лях проявляет американская
фирма «Боинr». _'Тl
Воздушные винты, несмотря
на то, что при скорости судна
более 200 км/ч их пропульсивный О,В
коэффициент оказывается наи-
большим, по всей видимости, на
СПК не найдут широкоrо приме- 0,7
нения в связи с тем, что передача
больших мощностей на воздуш-
ные винты невозможна из-за 0,6
сложности производства движите-
лей большоrо диаметра и их раз-
мещения на судне. 5
Турбореактивные двиrатели О,
в условиях скоростей, характер-
ных дЛЯ СПI(, малоэкономичны,
поэтому они MorYT использо- .00Lf Jo
ваться на СПК только в особых
случаях, например, на экспери-
ментальных судах или спортив-
ных катерах.
В расчетах первоrо прибли-
жения кривая тяrи движителя
при постоянной мощности меха-
низмов может быть подсчитана
по формуле
" .... 1
,1 ..... v'
..... >--..
I I
t--- ...... I
"- 2
.... ::-р .......... J
/ ./ ?\I
"7 ............ ju
,/ ..... f'-... I
5
RJc
2,0
1,5
1,0
0,5
LfO
5О
60
70 V, КМ/Ч '
Рис. 3.37. Характер изменения про-
пульсивноrо коэффициента полупоrру-
женных винтов и сопротивления в зави-
симости от скорости СПI(
1, 2 кривая сопротивления соответственно
СПК «Ракета», «Ракета-М» н СПК «Беларусь»;
3 «Ракета» (полностью поrружеиный вннт);
4 «Ракета-М»; 5 «Беларусь» (точками
отмечены эксплуатацнонные скорости)
75N
т дв == f)'f, (3.85)
rде 1: == 'I'1i/'I'J относительный пропульсивный коэффициент движителя на
промежуточных скоростях V/ V р'
Зависимость т от скорости для различных типов движителей показана
на рис. 3.38, rде видно, что разброс кривых пропульсивноrо качества различ-
ных движителей не превышает :!:IO% от среднеrо значения при V/V p ==
== 0,3 (в районе «rорба» сопротивления). С повышением скорости поrреш-
ность 1: уменьшается.
Если принять закон распределения кривых пропульсивноrо качества
нормальным, то квадратичная ошибка ':t в наихудшем случае не выйдет за
пределы 6%.
Характер кривой тяrи винта при фиксированной мощности зависит от
выбора расчетной скорости. Если винт рассчитывают на наибольшую дости-
жимую скорость, то кривая тяrи будет полоrой. Запас тяrи движителя на
«rорбе» сопротивления может оказаться недостаточным для быстроrо выхода
5*
131
r
судна на крылья. В этом случае расчетную скорость несколько уменьшают,
запас тяrи на «rорбе» возрастает.
Чтобы не терять скорость на крыльях, дЛЯ СПК целесообразно было бы
создавать движители с поворотными лопастями, фиксируемыми в двух по-
ложениях: при разrоне с малым шаrом и на крыльях с большим ша-
rOM. Однако при этом УСложняется конструкция движителя и снижается
ero надежность. 1.
Во втором приближении после уточнения расчетным путем сопротивле-
ния судна в режиме хода на крыльях производят подбор элементов и расчет
движителя. Строrих законченных теоретических методов расчета движите-
лей быстроходных судов до сих пор не создано. Методы проектировочноrо
расчета приблнженны.
0,5
Р'А ........ 1
6, ЕР' I
, !r J
/
5" ,f , '\
ч." - \
\
;7 i'J
,.
/ "- 2
"-
,/ ,
// 1
/
//
V
0,5
1,0
v/v
1,5
Для повышения кпд винта толщина лопастей должна быть наимень
шей (2 3%), а их число должно составлять 3 4. Однако иноrда условия
эксплуатации СПI( накладывают на эти величины заметные поправки. Пла
вание в условиях засоренноrо фарватера требует повышения прочности вин-
тов (утолщения лопастей) и устройства оrраждения (защитных «костылей»).
С целью снижения вибрации число лопастей доводят до 5 6 и придают им
саблевидную форму.
Основные рекомендации по проектированию частично поrруженных вин-
тов сводятся к следующему:
режим работы следует выбирать для относительной поступи, равно!'!
или несколько большей поступи, при которой обеспечивается наибольший
КПД винта (при этом условии обеспечивается высокое значение величин
коэффициентов упора и момента);
дисковое отношение для выбранной поступи нужно принимать таким
же, как и для rлубокопоrруженноrо некавитирующеrо винта;
число лопастей должно быть наибольшим (до 6);
относительное поrружение не должно быть меньше, чем 0,4 диаметра
винта (в противном случае коэффициент упора и кпд винта снижаются до
неприемлемых величин);
профиль лопасти следует принять в виде плоско-выпуклоrо cerMeHTa,
а форму лопасти саблевидной.
Для винтов, работающих в условиях rлубокой стадии кавитации, сле-
дует использовать клиновидные профили с минимально возможной по усло-
виям прочности относительной толщиной. Поскольку эффект решетки для
кавитирующих rребных винтов является определяющИМ, то необходимо все-
мерно снижать толщину каверны. Для клиновоrо профиля она оказывается
наименьшей по сравнению с cerMeHTHblM и авиационным профилями. поэ-
тому I(ПД суперкавитирующих винтов в широком диапазоне изменения ре-
жимов работы с развитием кавитации не только не падает (как у обычных
винтов), а, напротив, возрастает.
В заключение приведем пример расчета rеометрических элементов винта,
наибольшей скорости на тихой воде и запаса тяrи на «rорбе» сопротивления
дЛЯ СПI(, элементы KOToporo в первом приближении определеиы в rл. II.
ДЛЯ этой цели использована методика расчета ходкости судна с уrловымя
«колонками» [9, 13J.
Расчет ведется при соблюдении следующиХ условий:
выбирая винт, необходимо стремиться обеспечить наибольшую ско-
рость СПI( при полном водоизмещении на тихой воде;
запас тяrи следует проверять при полном водоизмещении и волнении
в 4 балла.
'f==i
'ТlP
. 1,0
о
Рис. 3.38. Зависимость кпд движителя от скорости
А расчетная точка для движителя; 1 «Аквастрол" (1 вариант виита);
2 «Аквастрол» (11 вариаит винта); 3 подвесиой мотор в 16 л. с. (виит);
4 подвесной мотор в 1 О л. с. (винт); 5 rребиой виит экраноплана CAG-3
(зимние испытания) [2]; 6 проект КП!( водонзмещеиием 550 т (США, водомет)
Исходные данные:
Полное водоизмещение, т . . . . . .
Количество rребных винтов Zp . . . . . . .
Мощность ЭУ Zp Х N а' л. с.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Частота вращения винтов при полной мощиости двиrателя n т ,
об/мин. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэффициеит полезноrо действия трансмиссии 118
rлубина поrруження оси винта Пр' м . . . . . . .
Зависимость сопротивления СПК от скорости прииимают по расчету
первоrо приближения:
V s ' уз . . . . . . ., 15,5
.к тв ' те' . . . . . .. 7,67
.кв' тс . . . . . . .' 7,85
65,7
3
3хl200
Наиболее полно и систематизироваино описаны различные типы движи-
телей дЛЯ СДПП и даны схемы их расчета в моноrрафии «Движители быстро-
OДHЫX СУДОВ» [9 J.
. При проектировании судна следует учитывать рекомендации, вытекаю-
щие из опыта проектирования движителей для отечественных судов [9,
10, 11 J.
Уrол наклона rребноrо вала ие должен превышать 120, если скос потока
ще мало влияет на кпд Винта. Увеличение уrла наклона вала до 18 200
приводит к уменьшению кпд винта на 10 15%. Зона разрежения за на-
клонным валом может способствовать прорыву воздуха на rребной винт, что
приведет к падению упора и кпд, появлению вибрации, эрозии и друrих
нежелательных явлений. С целью уменьшения опасности прорыва воздуха
к винту последний следует размещать под крылом в зоне повышенноrо дав-
,ления.
1850
0,95
1,1
18,6
8,14
8,39
21,7. . .
7,67.
8,10. . .
31.0
5,34
34,1
5,54
37,2
5,87
40,3
6,14
43.5
6,54
46,5
6,95
Коэффициенты взаимодейстВНЯ rребных винтов с «колоикой» w == t ==
0,05; i 2 == 1,0.
Для выбора элементов rребных винтов использованы результаты система-
тических модельных испытаний серии СК [9, 7 J при дисковом ОТношении
A/Ad == 1,1 и шаrовом отношении H/D p == 1,4. Кривые действня моделк
этоrо винта в свободной воде пред тавлеиы на рис. 3.39.
132
133
........
"'Р
0,6
I J
1...........
I / I \
-......:: d 6 I
2-.........: I Тjp
I
J Lf
'\ I
" I
I
;.... "- I
) I
/' 1\-
'/ ! Вариант 1
I / \.\:/ "'-
, / /
/
/ V /,...."'-
/
I "'- 2
I
I ""
I
I
I
1 I
4 ............ :
:::::: I
.:::::,.
2 \. ",/ "'
.. h........ ...... r--...
1 ..................
l' '"
0,5
0.4
/12
0,09
0,08
0,07
0,06
0,05
0,04
O,OJ
о, 02
0,01
О
/1
О,
0,3
п
и,
О,
005
,
1,0
1,5 А,р
Ри.с. 3.39. Кривые действия винта серии СК (A/Ad == 1,1;
z == 3; Н/D р == 1,4)
1 х 1,3; 2 х 1,0; 3 х 0,8; 4 х == 0,6; 5 х == 0,4;
б х 0,3
f
111
О
"
'"
z
.::С
ta
..
QI
"
Z
...
u
О
::С
:r
о
"
'Ж
О
::С
с:
О
с
z
о.
с
%
..
lIIi
...
'о
..
QI
Z
ta
...
::С
Z
..
ta
О.
...
QI
f"I "
ta
<"'i z
ta 1:[
:::r ..
z QI
с: :т
\о "
ta ta
.... а.
I I I t-- I I I I I
о ,
t-- О.
О О О
с1> <с с1> g О
lC "" lC '<1' :g с1>
'" <с <с о с1> о lC '<1'
t--
О с1> с1> О О О О О 00
с":> .
lC
I I I 00 I I I I I
о lC '<1'
<С. ' О О
О О
I I I t-- '<1' I I I I I
о t--
t-- О с1>
О О О
... с1> с":> О О
'" :g "" lC ""
'" '" lC с:. с1> о с:. <с <с
:s: - О t--
о- О о о , <:>
'" '<j<
>Q
lC
I I I 00 I I I I I
о }g с":>
<с
.
о о
I I t-- I I I
I о с1> I I
t-- О с:.
I о о
с1> lC О
lC "" t-- О t-- "" lC
'<1' lC О <с о <с <с "" с1>
'. . <с
, о с":> 00 О О - о о
'<1'
V 1 lC
00
I I о lC t-- I I I I I
,. V <с о
о о
.. ....,................,
u
--... u
::о ...
'" -;- :<:
fl о- » :s: .
----
э ... " ....
:о ---- ",О- U I u
,. :s: I t>: '" Q о- .:; ...
:о -;- .о:: ..: u .,.. Q , 'ё" :<:
.. ...
:о u Q) '" '" s:: «
1': ? о- '" <: s:: "
'" + lC lC о=( о- .. :а s:: о-
"' '" '" .,.. о-
о=( lC о- .. "' о-
'" '" о о lC t-- t:: :s: о- '"
:о "" о . о. .,..
:s: 8 ::о 11 :<: 1]
...
" о- .. 1I 11 ,'" "'
.. ..: о- р. о <: «
"
'" Q -=- , о- t....
Q lC
11 t--
, о- о-
11 « .,.. 11
о- '"
:о
':о с":> '<1' lC <с t-- 00 с1> О
;;;"::f
a
135
Таблица 3.3
Расчет тяrи винта на «rop6e» сопротивления
Вариант (
V s == 18.6 уз, V Р == 9,58 м/с 2 3
n, об/мин 1300 1350 1400
', об/с 21,7 22,Б 23,3
V p 0,698 0,674 0,650
lр ==
n р
К 2 (по rрафику 3.39) 0,097 0,100 0,102:
t)p то же 0,49 0,47 0,46
N== 2 пр (n')З D К 2 899 1033 1170
л. с.
75 t)B
Ре == 75 N 1']р , Krc 3450 3800 4210
V p
Т дв == zp Ре, Krc 10040 11400 12640
10
I
1';.00
'n4; ri5jMaH
Рис. 3.40. rрафическое представление расчетов винтов: а расчет скорости;
6 расчет тяrи винта на «rорбе» сопротивления
1 оптимальный диаметр винта для эксплуатационной скорости; 2 оптимальный
диаметр винта для максималЬной скорости; 3 тяrа винта при полной МОЩНОСТИ механиз
мов; 4 кривая сопротивления СП1(; 5 тяrа винта при эксплуатационной мощности
Мех анизмов; 6 МОIЦНОСТЬ, которую может развить ВИНТ, выбранный для эксплуата
ЦИОННQЙ скорости; 7 мощность, которую может развить ВИНТ, выбранный из условия
обеспечения наибольшей скорости; 8 внешняя оrраничительная двиrателя; 9 тяrа
винта 7; 10 тяrа вннта 6
а)
lJр,Н
0,70
4f)
136
Расчет диаметра и полезной тяrи винта произведен в табл. 3.2, а расчет
'Тяrи выбранноrо винта на «rорбе» сопротивления в табл. 3.3
На основе этих расчетов построены rрафики (рис. 3.40). На рис. 3.40, а
I1риведены зависимости тяrи винтов и сопротивления СПI( от скорости. Во
втором приближении уточнена скорость полноrо хода СПI(, состаВЛЯЮщая
47,7 уз (43,6 уз по расчетам в первом приближении).
Если элементы rребноrо винта выбрать из условий обеспечения наиболь
шей экономической скорости, то оптимальный диаметр винта при использо-
вании той же модели (А/ Ad 1,1 и HiDp 1,4) возрастает с 0,632 до
'0,642 м. Скорость эксплуатационноrо хода повысится до 40,8 уз (38,8 уз по
расчетам в первом приближении).
Запас мощности на «rорбе» сопротивления в первом случае (выбор винта
на полный ход) составит 30% (на волнении), а во втором случае (выбор винта
на эксплуатационный ход) 42% (рис. 3.40,6).
19. Мореходность СПИ
5)
N,л.с.
LfOOO
Под мореходностью судна понимают совокупность
<:войств, определяющих ero поведение на волнении. Мореходность СПК в зна
'Чятельной степени определяется качкой, приводящей к снижению эксплуата
'Ционных качеств при движении на волнении. I(ачка вызывает:
потерю скорости вследствие возрастания rидродинамическоrо сопро-
тивления крыльев, замывания корпуса, повышения брызrообразования;
переrрузки, возникающие на крыльях в результате изменения их
подъемной силы из за скоса потока и на корпусе при ударах ero о вершины
I!ОЛН;
опасность вознИкновения недопустимых напряжений в связях кор-
пуса и крыльев; ..
снижение долrовечности крыльевых устройств и корпусных KOHCTPYK
'Ций по условиям усталостной прочности;
ухудшение обитаемости судна и условий использования ero по OCHOB
вому назна чению;
срыв крыльевоrо режима при резком снижении подъемной силы HO
oBoro кр ыла вследствие скоса потока и кавитации;
пер еrрузку двиrателей в результате флюктуации скорости судна.
В силу случайности возникновения MopcKoro волнения и вызываемых
ro воздействием на судно процессов (изменение rI1дродинамических сил на
крыльях, напряжения в связях корпуса н крыльев, качки и т. д.) их изучение
я количественная оцен ка должны проводиться вероятностными методами.
Исследуя качку СПI( на нереrулярном волнении, изучают статистиче-
<скИе, корреляционные и спектраЛьные характеристики различных видов
качки в их взаимной связи.
Физические свойства процессов качки, определяемые распределением
энерrии колебаний по частотам, характеризуются энерrетическими спек
трами качки.
В основу расчетов спектральной плотности качки СПI( положена теорема
Хинчина о корреляции входноrо и выходноrо случайных процессов с линей
'Ным звеном преобразователем
т, те
1}
11
I
V s ,!I.3, 1300
I
I
1350
2
SK (00) == [Фв. К (00)] SB (00),
(3.86)
'rде SK (00) спектральная плотность качки СПК (продольная, вертикальная,
бортовая); Ф в . к (00) передаточная функция, представляющая собой ам-
t1литудно частотную характеристику соответствующеrо вида качки ди.
намическую реакцию судна на единичное rармоническое воздействие;
.8 в (00) спектральная плотность волнения.
При пользовании формулой (3.86) нужно иметь в ВИДУ, что амплитудно-
'Частотные характеристики судна определяются в снстеме координат, свя-
137
l1li
О.
...
QI
..
Z
11:
Z
::с
QI
::с -;;-
с: ;.
о о.
.. о
Z .е-
о
:.: u:i
z
... '"
u
'" z '"
о. '"
'" QI З
:f ...
:.:
с: l1li о.
О. "
\D ;.
'" l1li "
.... >< u:i
138
и
О -
",'"
o.
"О
t::'"
с;,
""
u
:;;:
....
:>,
....
",:!
" -
",:11
'"
t:i3
'"
'"
'"
'"
3
::: '
oo;I:::>J
",,,,"
, :r .
CI3 ,О Q) ==
C, t= ro
ОМ t) r.J
t)....Q)O
::s ..а \о =:
IXI"'O
"
о.
О
:;;:
'"
3.0 ".
,.Q I::;.Q ..
:z::QJ C'\I
фro()о..
::e::s::OE-<
t:::CQJ
'" "1: '"
:r:
,"
о: '"
5
;; I
:>i"'O:
о: o.
'" О
:r: '"
"
u
'-
'"
:11
'"
u:i
"
"'
0.",
1::>:
3
00
с о
о
ю
ю с;, C'I
C'I C'I:> '<1' Ю 00 I
I I I I <с I 1
C'I C'I:> '<1' I ю ":. З
ю
ф 00
...............
ю 'I) О С
Ю '<1' <с 00 r--
r-- I C'I ю C"I
C'I I I I I I
I lr.) ю ;:!; <с 00 tf:) О
C"I lf' о>
C"I t--
ю tf:) Ir.>
r-- О С tf:) с:
ю
'1 о C'I
I I I м <с 00
О ,I:) tf:) ю ! I I I
t-- О ":. с;, Lf)
с о о C"I C'I:> Ф 00
... ....
...... > ....
...... ...... > > > >
\tj lC C'I:> lC
"" о> C"I
I lC I C"I C'I:>
I I I lC I I I
LJ':) lC о> C"I C'I:>
. 10 C'I
О ...... с') C'I:>
ю о о
ю '<1' О О lC C"I C'I:> C'I:>
I I C'I:> lC C"I C'I:>
I I I I I I
lC '<1' О О Ю Ю О
lC t-- ...... C"I с':) Ю C"I C'I:>
C"I
о
о
""
lC
t--
о
lC
r--O'<l'<';.r--
L1) с 00 о>
C"I ..;< LC 00 О
'"
"
"
"
'"
'"
t:i
I
f
о
t--
C"I
11\
с:.
11\
:><
ю
cf:>
11\
о
C'I:>
cf:>
11\
lC ю О
C'I:> с':: о>
'<1' 00 C"I
C"I
...... ..;<. I ":.
.
;:ё 00 о>
ф 00
о LC О
C'I r-- с<)
'<1' .,;- LC
о
LC о> О
C"I C"I
I I о>
C"I
C"I Л\
...... LC
C"I C"I
з ...... C"I
......
"
" COI 1, C'I lC L() 00 с: 11:)
'" о>
« о
" о о c-i '<1' r-- 00 r-- r--
о. C"I cf)
u
u
"
,,
0.",
1::>:
3
с:.
COI
C'I:>
<с 00 C"I 00 Ф. r--
С') r-- g:j ;;
C'I
<с
<с
о>
'"
о.
;.
aJ ..
"'
.Q
;.
u
О
О.
О
'"
U
'<1' C"I C"I L()
t-: C'I:> C'I .... 00
'" C"I L1) 00
'" L" C'I:> lC t-- о> C"I
'" ! I ! I 1 I I I 1
=t I
" <с 00. '<1' С') ":. о> ":. с':: cf)
о.
u О О cf:> lC r-- о> C"I ю 00
:11
..
u:i
о
C"I
C'I:>
'<1' LC <с t-- 00 о>
занной с судном, и являются функциями кажущейся частоты. Поэтому спек-
тральная плотность волнения должна быть преобразована в функцию Ka
жущейся частоты по формулам
Sв(ro)==Sв(ro и ) d(l)и I
d(l)
d;; == (1 + rocOSIp) 1!2
(3.87)
rде SB «(I)и) спектральная плотность волнения в неподвижной относительно
земли системе координат; V скорость судна; ер КУ к волне.
Причиной волнообразования является ветер. Высота волны, ее размеры
зависят от скорости ветра V 1 , длины разrона волны и продолжительности
действия ветра Т.
ДЛЯ оценки силы ветра и степени волнения существуют соответствующие
шкалы. В табл. 3.4 приведена характеристика ветра по шкале Бофорта и со-
стояние моря по шкале rлавноrо управления rидрометеоролоrической службы
1953 r. (rYrMC 53). Эти шкалы (удовлетворены требования к длине разrона
и времени действия ветра на rлубокой воде) rрафИчески представлены на
диаrрамме (рис. 3.41). Кинематические характеристики волнения MorYT быть
определены по приведениым ниже формулам.
Длина волны:
по шкале rYrMC 53
Ав == IOhв при h B 1 м; }
А == IOh l . 38 П р и h > .1 м
в в в )
(3.88)
rде h B высота волны 3%-ноЙ обеспеченности;
по Реrистру СССР
Ав == 2,44 (h B + 1)2;
по формуле ЦКБ по СПК
Ав == 70 Iп (1 0.15h B );
по формуле Л. Ф. Титова {31]
А == 2п v2R2
в Н'В'
g
(з.89)
(3.90)
(3.91)
rде V 1 скорость ветра иа высоте 6 м иад уровнем моря; fJB == VB/V 1; V8
скорость волны.
Высота волны:
по формуле Л. Ф. Титова
h ==OOI5v 2 R1.5.
в ' lt'B'
(з.92)
по шкале [У[МС-53
hs == 0,1;"'8 при Ав 10 м; }
h == О 22А О ,715 П р и А > 10 м;
в 'В в
(з.93)
па формуле Циммермана
h == 017'3/'
в ,''''в.
(з.94)
139
18'
Период волны:
соrласно теории волн
V
211:
т== g-A B
по формуле Л. Ф. Титова
t:1
Е:
g. 10
Е3-
<::>
Ч::I
<u 5
<::>
<:::
1,0
<u
ос)
...
0,5
'"
g.
'"
<.>
'"
0,1
211:
Т == Yl B;
g
\i,M/C
50
12
7
6
5
!f
J
z
о 1 Л III IV Vl vп IX
0,1 0,5 10 пв,М
Высота 80лtfы по rУП-IC 5J
\
по В. 'Фердинанду и r. Е. Саундерсу [31]
.0
't == 3,61ho. 4 .
в
(3.99)
(З.95}
Частота волны:
по теории волн
(3.96)
l,мил т,,,
1000 100.
50
!f0
30
20
100 10
50 5
ЧfJ L;.
3О 3
20 2
10 1
5 0,5
211: . I
Юи ,
т.
Скорость nеремещения профиля qОЛНI1t:
по теории BOJiH
(3.100)
л
V .
в ,
l'
и в == V Ф-в Н . > '1
при 0.3;
211: Ав
ив == VgH Н
п'ри O,I.
Ав
(3.101 )
rде Н rлубина акватории;
по формуле Л. Н. Сретеискоrо
{ gAB ( .. л; 2h; )
ив== l+ .
2n')..2
в
(3.102)
Наибольший уеол волн.овоzо СХЛОflа:
по формуле
. 11:h B
ШВХ ==
Ав
Полную энерrию волны на единицу ее поверхности [31] рассчитывают
по формуле
(3.103)
pgh;
E===
8
Крутизна волны6 в == hв/'Лs по Л. Ф. Титову
(\ =={),О2з ;;о.5.
(3.104)
Рис. 3.41. Диаrрамма силы ветра и степени волнения, соrласованная
с энерrетическим спектром Пирсона .московица (цифрами обозначены
баллы)
140
по формуле Ю. А. Нецветаева [7]
't == (3.1 3,3) Vh::
по шкал(rУrМС-53
2
.' 't' == 2.5h B з;
(3.105)
(3.97)
Энерrетический спектр волнения (или спектральная плотность), являю-
щийся основной характеристикой волновоrо процесса, представляет собой
плотность распределения дисперсий амплитуд волнения по частотам Jlепре-
pbIBHoro спектра.
Большинство применяемых в настоящее время спектров волнения осно-
вано на известной формуле Барлинrа, имеющей вид
SB (Ю и ) == Аю;-а ехр ( Вю;-Ь). (з.106)
141
(3.98)
rде коэффициенты А, В и показатели степени а, в зависят от волнообразую-
щих факторов. Так, представив волнение зависящим только от СJ<;ОРОСТИ
ветра, Нейман предложил спектр, в котором А == 2,4 M2c 5; В == 2 (:1 )2;
а == 6; Ь == 2.
Известны и друrие спектры (Ролла Фишера, Дербишайра, Берrшнай-
дера и др.), связывающие параметры волнения только со скоростью ветра.
В действительности же интенсивность волнения и ero спектр зависят не
только от скорости ветра, но и от характеристик акватории (профиль дна,
rлубина, близость береrов как отражателей волн и др.). Реальное морское
волнение отличается от ранее широко применявшеrося для описания волно-
Boro процесса закона распределения Рэлея.
l'vlноrочисленными исследованиями установлено, что ординаты волн
распределены по нормальному закону. Закон же распределения высот волн
зависит от вида процесса, т. е. от характера волнения, а именно: наличия
или отсутствия вторичных наслоений волн более высоких частот на основную
систему волн. Это отражается на ширине спектра
е == \ , [! ::8. (00.) doo. ]' 1 111 (3.107)
D B f (O SB ((Ои) d(Ои
о
rде SB «(Ои) спектральнаи плотность волнении; (Ои частота; D B дис-
персия процесса.
Существуют друrие способы определения ширииы спектра.
Если известно относительное число вторичиых экстремумов воли " то
е == Vl (1 2r)2.
(з.108)
Из спектра Неймаиа несложно иайти зависимость ширины спектра от
скорости ветра
е== V 1
h p
О,565n (V1/g)
{3.1О9)
Ширина спектра заключена в пределах 0 8 1.
Если волновой процесс обладает достаточно узким спектром (8 < 0,4),
то число вторичных волн мало. Форма волн мало отличается от синусоиды.
В этом конкретном случае закон распределения ординат оrибающей
амплитуд волновоrо процесса не противоречит закону Рэлея.
Применительно к случайному процессу MopcKoro волнения вместо ам-
плитуд рассматривают высоты волн, т. е. ординаты между соседними rребнем
и подошвой h.
Распределение Рэлеи дли высот волн характеризуется ЩIOтностью ве-
роитности
h ( . h 2 '
f(h)==':""""""'exp ) .
4D B 8D B
. (з.110)
Свизь между дисперсией волновых ординат D B и высотой волны 3% -ной
обеспеченвости выражаетси зависимостью
( hB ) 2
D B == 0,143 .
.. 2
(3.111)
142
в статистическом отношении более устойчивой является средняя высота
волны, характеризующейся 50% ной обеспеченностью и находящейся с вы-
сотой волны 3% -ной обеспеченности в соотношении
h B == mhcp. (3.112)
Изучение океанских волн [6, 30] показывает, что в ряде случаев эти
процессы обладают достаточно широким спектром 8 == 0,46 + 0,83. Форма
волны существенно отличается от синусоиды. В пределах ее длины может
быть несколько экстремумов. Такой процесс подчиняется закону распреде-
ления Райса.
Для закона распределения Райса А. r. Степанов [30] предложил опре-
делить дисперсию волновых ординат по формуле
h p
2n (l 82)
D B ==
(3.113)
которой и следует пользоваться
при 8> 0,4.
Переход от средней высоты
волны к высоте волны 3% ной
обеспеченности можно осущест-
вить по формуле (3.112), в KOTO
рой коэффициент m снят с rpa
фика 3.42.
На основании эксперимен-
тальных данных о законах pac
пределения высот волн Ю. А. He
цветаев [7] рекомендует прини
мать m == 2.6, что соответствует
ширине спектра 8 == 0,68.
Для окончательноrо сужде-
ния о характере волнения в рай-
онах предполаrаемой эксплуата-
цИИ СПК требуются дополни
тельные исследования, которые
заключаются в систематической
записи процесса волнения и ста-
тистической обработке этих запи-
сей. Для стационарных условий
испытаний среднее значение и
дисперсии процесса волнения не зависит от времени и на основании эрrо-
дической теоремы MorYT быть определены по типичным реализациям процесса
за времи Т
lzJ%
т
lzcp
'1
1
1
I
I
о}'
C{
/
./
?
. /i
I-!t _08 .L+
о
3,5
3,0
2,11
2,00
0,4
0,5
0,8 s 1,0
0,2
Рис. 3.42. Зависимость коэффициента т
от ширины спектра
J распределение Райса; 2 распределеиие
Рэлея
1 т
h cp == S h (t) dt;
т о
1 f 2 2
Dh == Т h (t) dt hcp'
При статистической обработке нетрудно установить относительное число
вторичиых экстремумов волн r и по формуле (3.108) найти ширину спектра 8.
1(орреляционную функцию дли высот волн определяют по формуле
1 T ,
Kh (1:) == f [h(t) hcp].[h (t +'t) hcpJ dt,
T 't о
I
(3.114)
(3.115)
rде 't временной сдвиr. Расчет ПQ этой формуле требует трудоемких вы-
числений и практически невыполним без использования ЭВ или коррело-
rрафов.
143
Можно использовать экспоненциально косинусную
получения корреляционной функции
Kh (т) == Dhe.....a I 't I COS (Оит't,
rде частота, отвечающая максимуму спектра,
(Оит == 1,44 (h B )O,4
аппроксимацию для
....
(з.116)
(з.117)
.и показатель а == 0,21 (он т'
По корреляционной функции с помощью косинус-преобразования Фурье
может быть определена спектральная плотиость волновоrо процесса, харак-
териоrо для изучаемоrо MopcKoro театра,
2 00
SD ((ои)== S Kh ('t) cos (OH'tdt. (3.118)
о
Этот способ с использованием уравнения (3.116) позволил Н. Н. Рахманину
и r. А. Фирсову получить спектр
Sв«(Ои)==0,279 [( (OH ) 4 1,91 ( (OH ) S+I.09 ] \ (з.119)
(Оит (Оит (Онт
которым следует пользоваться только в зоне умеренных частот [31].
Среднеrодовая обеспеченность волновых режимов в прибрежных мор-
ских и океанских районах для ориентации при составлении задания на Mope
ходные качества судна приведена на рис. 3.43.
При задании и окончательном выборе мореходности СПК следует учи
тывать, что на их рентабельность оказывают влияние простои по штормо
вым условиям, стоимость постройки и эксплуатации (капиталовложения),
которые повышаются при ужесточении требований к мореходности, а также
изменение спроса на пассажирские перевозки.
Предельно возможные сборы (поступления) пропорциональны числу
мест (rрузоподъемности) и времени эксплуатации. Время эксплуатации в
свою очередь пропорционально среднеrодовой обеспеченности высот волн
на морском театре.
Изменение спроса на пассажирские перевозки, влияющее на величину
коэффициента использования пассажировместимости, обусловлено существо-
ванием физиолоrических пороrов ощущения ускорений, вызываемых качкОЙ,
за которыми у человека начинают развиваться и проrрессировать симптомы
морской болезни. Отмечено, что морская болезнь особенно интенсивно раз-
вивается при вертикальных ускорениях более 1,5 м/с 2 и вращательных
более 3 0 /с 2 . Величина допустимых вертикальных ускорений зависит от ча-
стоты их появления и длительности воздействия. При непрерывном длитель
ном действии допустимыми для пассажирских спк считаются ускорения,
не выходящие за пределы зоны комфорта (рис. 3.44). Для личноrо состава
военных кораблей, а также и для пассажиров при длительности рейса менее
20 30 мин, допускаются ускорения, не выходящие на пределы зоны 2. ro-
ризонтальные ускорения допускаются вдвое меньшими. При 3% ной обес-
печенности ударов допускаются ускорения на порядок ббльшие.
Исследования статистических, корреляционных и спектральных харак-
теристик процессов качки судна на НПК [10] при умеренном волнении
(3 5 баллов) привели к следующим ВЫводам.
1. Процессы качки СПК имеют относительно широкий спектр
(0,4 8 0,9), в связи с чем к этим процессам закон Рэлея неприменим.
2. На ширину спектра качки СПК оказывает влияние скорость судна
и направление ero движения относительно волны. Тенденции изменения па-
раметра 8 показаны на рис. 3.45. Пределы отклонений 8 от показанных иа
рис. 3.45 заключены в интервале 8 ::!: 0.1.
Выявленные тенденции изменения ширины спектра MorYT быть исполь-
зованы для расчета соотношений между следующими характеристиками:
144
I!.
100
IX
'cf(
."
Е:
Q
50
'1::
ClJ
"..
Q)
<:::>
5
8ысота Волны, 11
Рис. 3.43. Среднеrодовая обеспеченность высот волн в морях, омы-
вающих береrа СССР
J ..,.. Черное; 2 Балтийское; 3 5}понское; 4 Охотское; 5 Бареицево;
6 .... северо-западная часть Тихоrо океана; 7 , Северная Атлаитнка
(1 l Х баллы)
о
i/g-
1,0
0,5
0,10
0,05
0,01
О, 005
4
0,001 а(и
,
Рис. 3.44.
50 100
500 r,rq
0,5 1,0
5 10
0,05 0,1
Физиолоrические пороrи ощущения вертикальных
переrрузок
J зона недопустимых переrрузок; 2 зона допустнмых ускореинй дЛЯ
КПК; 3 зона комфорта для пассажнрскнх СПК при рейсе продолжн-
тельностью не более l ч; 4 зона комфорта при неоrраниченном
времени рейса
145
средними размахами и дисперсией (формула А. r. Степанова.).
h cp == V 2n (1 8 S ) ; (3.120)
VD B
максимальнЫми и средними размахами (формула А. И. Вознесенскоrо)
== 2 ( V21ПNУ I 82 + 0,577 ) ,(з.121)
h cp V 2n (1 82) V 21п N Уl 8-
rде N объем статистической выборки (количество размахов).
3. Время корреляции т к , в течение KOToporo корреля.ционная функция
затухает, заключено в пределах 3 20 с (для обычных судов 20 60 с).
4. Для расчета перемещений, скоростей и ускорений СПК необходимо
вычислять статистические характеристики взаимной связи взаимные кор-
реляционные функции и взаимные спектральные плотности
1 T
0,8 Кху (т) === S х (t) У (t + T)dt;
T T о
1 +00
Sху(Ю)=== S e ja KXy(T)dT.
n oo
(3.122)
1
2
0.7
0,5
0,5
135 о 180
КУ,
Рис. 3.45. Зависимость ширины
спектра качки СПК от скорости
и КУ к беrу волн
1 Рс l1 2,0; 2 Fr l1 2.5:
3 Fr l1 3,0; 4 Fr l1 3,5;
5 Fr l1 4,0
о
Lr5
90
5. Максимальные значения коэф-
фициентов корреляции бортовой и ки
левой качки на встречном и попутном
волнеиии не превышает
\ ' е'Ф (О) \ ;::, 0,05+0,10. (3.123
Это дает Основание в. случае движения
СПК на встречном и попутном волне
нии считать процессы бортовой и киле-
вой качки независимыми.
При движении СПК косыми KYP
сами к волне
\ r е'Ф (О) I ::::: ,3+0,5,
(3.124)
т. е. в этом случае бортовая и
качка коррелированы.
6. Процессы килевой качки и нормальных ускорений при всех
лениях движения имеют достаточно высокую Степень связанности
килевая
направ-
I r'Ф (т) I : 0,5 0,7; }
I ''ФZ (О) I 0,2.. 0,5.
Амплитудно-частотиые характеристики по килевой и вертикальной качке
определяют по формулам [10]
, А 2 . )
Фв'Ф(Ю)== , I
уnЧ (1 : )- +4 : ]
А 1 I
Фвz(Ю)== ,
У п [ ( 1 :; ) 2 + 4 ; ; J
146
(3.125)
(з.126)
rде А 1 И А 2 коэффициенты ВОЗМущающих сил и моментов; п'Ф и n z ча-
стоты собственных колебаний; 'Ф и f.tz относительные коэффициенты co
противления.
Приближенный метод практическоrо расчета амплитудно-частотных ха-
рактеристик изложен в специальной литературе, например в работе [10, 41].
11;
z; !J
10
hB/п
Рис. 3.46. Зависимость вертикальных ускорений iig в цт
от высоты волны
1 СПК на АУП!(: 1 «Сифлайт Н57»; 2 сДолфнн» (по раз-
личным нсточннкам); 3 «Хай Пойнт»; 4 сТукумкэри ; 5
сПеrасус»; б Р.420 «Суордфнш»; 7 проект КПК фнрмы сБоннr ,
Mod. 923 I2A; 8 «ФJIнппер»; 9 РТ I50ДС
11 СП!( без стабилизацин: 10 «Деннсон» (по различным нсточ-
иикам); J1 PT 50; 12 PT 20; 13 «Бра Д'Op ; 14 сМетеор»
1 1 1 rлнссирующне суда
h
::::r
<>с;, 1,0
tt:
::::t
:,;,
Q:)
'"
<u
:Q
:,;,
-Q
'"
::::t
f::{J,1
:i}
о
0,5
1,0
Характерные для построенных СПК вертикальные переrрузки в ЦТ при
Болнах 3% -иой обеспеченности показаны на рис. 3.46, из KOToporo видно,
что приемлемые ускорения для пассажирских судов на НПК MorYT быть
<Jбеспечены при отНОсительной высоте волны до h B ; D 1 / 3 == 0,4, а дЛЯ СПК
на АУПК эти пределы расширяются до h B : D 1 / 3 == 0,7.
147
Вертикальиые переrрузки с ростом высоты волны возрастают ос бенно
р зко при замывании корпуса вершинами волн (рис. 3.47).
Существенное влияние на величину вертикальных переrрузок оказы-
вает соотношение между длиной волны и расстоянием между крыльями
(рис. 3.48). Максимальных величин переrрузки в ЦТ достиrают при А в / L Kp ==;
== 1; 0,5; 0,25 . . . , т. е. коrда на длине L Kp укладывается кратное количе
ство волн, а возникающие на крыльях дополнительные силы находятся в ok
ной фазе и имеют одинаковое направление.
Для снижения вертикальных ускорений необходимо высоту стоек
крыльев выбирать из расчета исключения замывания корпуса волнами, а
расстояние между крыльями принимать равным примерно 0,75 наибольшей
длины заданной волны. Последняя рекомендация не является обязательной
для судиа на АУПК.
Z/!J А z/!l
ос. 0,6 0,8
:::J
0,5 О, 7
tjO,'+ 'i} 0,6
0,5
<ь O,J '" о,ч.
:(;
'1::
0,2 :t:
<:> o,J
'с 0,2
:::J 0,1 '"
Е: Е=:
1,0 2,0 3,0 2- 0,1
CQ О Ct::J
Высота болны, /'1 О
Рис. 3.47. rрафик вертикальных
ускорений 'z/g в зависимости от вы-
соты волны при ходе на крыльих
(СПК «Долфию»
1 ХОД В разрез волны; 2 ход лаrоМ
К волие; 3 прн 45 50 уз (по друrим
источннкам); А зона замывания KOp
пуса волной
Пв,11
6
5
ч.
3
2
3/ r\
/ 1
/ \
\/
Ir . v
1\ 'f....... .
..-:! f\J .
02,0 5,0 10 20 50 100
Длцна 60ЛНЫ, 11
Рис. 3.48. Влияние длины волны на
вертикальные ускорения по исследо
ваниям фирмы «Супрамар» для судна
РТ -50 (L Kp == 20 м, V == 46 уз,
волна реrулярная)
1 вертнкальные ускорення; 2 высота
волиы; 3 нанбольшее ускорение при
длнне волны 20 м
Радикальным образом уменьшить вредное влияние на СПК последствий
качки можно путем создания судна на полностью поrруженных АУПК. При
наличии надежных сведений о состоянии моря в непосредствениой близости
от несvщих элементов задача создания иа крыльях сил, компенсирующих
силы возмущения, технически. разрешима. Трудность заключается в отсутст-
вии надежных датчиков, которые смоrли бы воссоздать поле скоростей и дав-
лений в районе крыльев, а также невозможности создания безынерционных
opraHoB управления. Кроме Toro, для компенсации возмущений на реальном
волнении необходимо секционирование opraHoB управления подъемной си-
лой по размаху крыла с выработкой для каждой секции cBoero Закона. Это
значительно усложняет задачу стабилизации и в нужной мере не выпол-
няется на практике. Поэтому суда на АУПК также испытывают качку на
волнении, хотя и значительно меньшую. Кроме Toro, система АУПК услож
няет проектирование судна и удорожает ero стоимость. В настоящее время
теория общей стабилизации СПК еще недостаточно полно разработана.
В результате качки СПК повышается ero сопротивление. Для судиа
с НПК в первом приближении при рост сопротивления может быть определен
по эмпирической зависимости, выведеиной на основе обработки статистиче-
cKoro материала (рис. 3.49).
148
Рнс. 3.49. Зависимость прираще
ния сопротивления на волнении
от скорости судна
1 модели СПК; 2 в Переходиом
режиме, формула (3.127); 3 «Бра
Д'Ор»; 4 «PaKeTa ; 5 РТ.20; б
VS.8; 7 «Стрела»; 8 «MeTeop ;
9 в крыльевом режиме, формула
(3.128)
JR п ст Л 1 / J
п'
1.6 8
1,5
1,0
0,5
о
.1,0 vjv o 1,5
0,5
о 0,1 0,2 O,J
Рис. 3.50. Характер падения скорости морских СП1(,
СВП и водоизмещающих судов от высоты волны
1 суда с АУПК: 1 «Долфнн»; 2 «Тайфун»; 5' РТ.5(}
с снстемой воздушиой стабилнзацнн; 11 суда с НПК: 3
РТ.20; 4 «Стрела»; 5 РТ.50; б «Бра Д'Ор»; 7 «Дени
{!ои»; 8 VS.8; 111 СВП с rнбкнми оrражденнями: 1 SR
N. 2; 2 SR N. 3; 3 SR N. 4; 4 SR N. 5; 5 SR )';, 6:
,6 ВН-7; 7 ВН.8; 8 НМ.2; 9 VT.I; 10 SKMR.l
(с rO.I, 2 м); 10' SK.5; 12 SK.6; 13 SK.9; 14 SK.IO;
п' коммерческие суда водонзмещеннем 10 OOO 20 000 т
....
в переходном
режнме
!!R
R
( V 8 h;
==1,2 ) .
V o hCTD 3
(3.127)
В крыльевом
режнме
ARR [0.35+ (О;'), ] : ""
(3.128)
Среднеквадратичная поrрешность определения !!R/ R по формулам
{3.127) и (3.128) с вероятностью 0,95 находится в пределах cr == 18,5 :!:: 4,3%.
ДЛЯ СУДОВ на АУПК прирост сопротивления примерно в три раза меньше.
Повышение сопротивления СПК на волнении относительно невелико,
'в связи с чем потери скорости СПК в штормовых условиях в сравнении с cy
.дамн друrих типов существенно меньше, что может быть проиллюстрировано
рис. 3.50.
i 20. Маневренные качества СПИ
Термин «маневренные качества» объединяет два незави
'Симых понятия: управляемость судна и ero реверсивные качества.
Под управляемостью СПК понимается ero способность двиrаться по за
данной судоводителем траектории. Управляемость включает в себя два свой
'Ства: устойчивость на курсе и поворотливость. При движении судна на цир
куляции все ero ТочКи движутся по криволинейным траекториям. Уrлы
дрейфа по длине судна изменяются. На циркуляции вследствие дрейфа на
'Стойках и крыльях возникают rидродинамические силы, приводящие к по-
явлению крена.
В общем случае уrол
крена на циркуляцни
v 2
в ц == ".......!!:...,
gR ц
{'де k конструктивный коэффициент.
В зависимости от соотношения влияния килеватости элементов крыльев,
их стреловидности и стоек крыльев конструктивный коэффициент по абсо-
.JIютной величине может принимать различные значения, а по знаку быть
положительным (крен внутрь циркуляции) и отрицательным (наружный крен).
В частности, дЛЯ СПК со стреловидными крыльями k:> О, для СПК
'С крыльями друrих форм k <?: О. Конструктивный коэффициент k расчетным
путем определить практически невозможно. Он определяется на самоходной
модели.
Система АУПК позволяет осуществить координированный поворот на
циркуляции, при котором равнодействующая силы тяжести и центробежной
'Силы на циркуляции остается в диаметральной плоскости судна. Диаметр
циркуляции при координированном развороте заметно уменьшается.
Исследованиями установлено, что центр приведения боковых сил, воз
викающих на крыльях и стоиках при циркуляции СПК, всеrда лежит б.1иже
к корме от ЦТ судна. При кормовой «центровке» СПК расположение рулей
на кормовых стойках с точки зрения rидродинамики нерационально. Если
обратиться к схеме сил, действующих на циркуляции на носовой и кормовой
рули (рис. 3.51), то нетрудно заметить, что при расположении руля в носу
боковая сила и плечо ее действия больше, чем боковая сила и плечо KopMO
Boro руля. Сопротивление же HocoBoro руля движению судна заметно меньше,
чем KopMoBoro. Для обеспечения лучшей поворотливости СПК рули поворота
целесообразно размещать в носу. Для этой цели наиболее удобна схема «утка»
С поворотной носовой стойкой рулем.
(3.129)
150
Упрощенных способов расчета поворотлнвоСТИ.СПl( пока нет. Сущест
вующие способы rромоздки в связи СО сложностью учета снл, действующих
на Э.1ементы крыльевоrо устройства при циркуляцин и дрейфе судна н прн
наличии крена.
Реверс СПК включает в себя два СВОЙСтва разrон н торможение, KO
торое характеризуется временем и пройденным путем. При этом торможение
может осуществляться со свободно вращающимися и заторможенными вин
тамн.
Рис. 3.51. Схемы сил, действующих на рули при циркуля-
ции СПК
Используя кривые сопротивления СПК и тяrи винтов, путем численноr()
интеrрирования можно приближенно определить время, а также путь раз
rOHa и торможения по формулам
V.
t p == J!... S ;
g T R
У, .
У.
t T == s d; ;
У,
У.
S == S V dV ;
р g T R
У,
У.
ST == J!... S VdV
. g R'
У,
rде t p , t T соответственно время разrона и торможения; Sp, ST путь
разrона и торможения соответственно.
Верхний и нижний пределы интеrрирования выбирают исходя из по-
ставленной задачи. В качестве минимальной rраницы интеrрирования для
расчета времени и пути разrона принимают нулевую скорость. Верхняя [pa
НИца не должна доходить до скорости, при которой подынтеrральное ВЫра-
жение превращается в бесконечность. По той же причине при расчете времени
и пути торможения минимальная скорость не должна доводиться до нуля.
Сопротивление вращающеrося или застопоренноrо винта при расчете
торможения включается в функцию R. Время разrона и торможения СПl(
не должно превышать 2 мин [40].
(3.130)
(3.131)
(3.132)
(3.133)
151
rnasa IV. ОСОБЕННОСТИ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОРПУСА
"
i 11. Разработка теоретнческоrо чертежа
Общие принципы выбора формы обводов СПК опреде
Jlяются следующими условиями:
минимальным сопротивлением в переходном режиме;
наименьшей силой удара волны в корпус;
удов.1етворительной мореходностью при плавании в водоизмещаю-
щем режиме.
Переходный режим является самым неблаrоприятным для судна о из-за
.сильно развитоrо волнообразования, наблюдаемоrо при относительнои ско-
рости Fr д 1,7 + 2,2, характерной для выхода СПК на крылья. Образо-
вавшаяся волна сопутствует движущемуся судну, создавая неблаrоприятные
условия для выхода на крыло за счет подсоса днища, а также снижениЯ
подъемной силы на крыльях вследствие неблаrоприятноrо скоса потока.
Для уменьшения этих вредных явлений подводной части корпуса придают
,специфическую форму.
В переходном режиме rидродинамические силы, возникающие на KOp
пусе, уже значительнЫ, что однозначно требует придания корпусу остроску-
лых образований с плоскокилеватым днищем.
На относительное сопротивление в переходном l'ежиме оказывает влия
ние ряд характеристнк, rлавнейшими из которых являютс!l коэффициент
наrрузки, уrол ходовоrо дифферента, удлинение смоченнои поверхности.
Коэффициент наrрузки
D
Сl1 == .
"У В3
Изучение влияния скорости на СlI. позволило установить связь между оптИ
мальным значением коэффициента наrрузки C и относительной скоростью,
при которой сопротивление воды оказывается наименьшим
==0,25+0,16FrД. (4.2)
()тклонение от C в большую или меньшую сторону приводит к увеличению
.сопротивления, что видно из рис. 4.1.
Применительно к СПК картина влияния CtJ. на сопротивление качест-
венно остается такой же. Разница заключается в том, что оптимальные па
раметры коэффициента наrрузки СПК определены для скорости на «rорбе»
. -сопротивления V r С учетом частичноrо уменьшения водоизмещения вследст
вие разrрузки, создаваемой крыльями на скорости V r . .
Для обеспечения минимума сопротивления в переходном режиме ши-
рину судна [исходя из сказанноrо и с учетом формул (4.1) и (4.2)] следует
определять по формуле
В СК ==
зr (l k)D
1/ 1' ( 0,25+ з(),16Vr ) "
r V gyo k) D/"Y
в этой формуле коэффициент разrрузки судна k на скорости V r за счет
подъемной силы, возникающей на крыльях, может быть определен только
при испытаниях модели в бассейне. Для предварительных расчетов ориенти
ровочно можно принять дЛЯ СПК k 0,25, дЛЯ КПК k 0,15.
152
(4.1)
(4.3)
На окончательный выбор ширины судна MorYT повлиять также началь-
ная остойчивость, вместимость и пр. Так, из рис. 4.1 видно, что большинство
СПК имеют ширину по скуле, превышающую оптимальное значение, требуе-
мое условиями наименьшеrо сопротивления в переходном режиме. В связи
с этим для таких судов характерно повышенное сопротивление на «rорбе»,
которое с квадратичной поrрешностью 9,6% может быть определено из со-
отношения
.!..!:.... == 1.23+ ( Сl1 1 ) '.
ro C
rде ro минимальное относительное сопротивление
ero на крылья (полный отрыв корпуса).
Характер влияния на сопроти- r'
вление rлиссирующеrо судна уrла
ходовоrо дифферента 'Ф и удлинения 0,20
смоченной поверхности показан на
рис. 4.2, rде л к lсм/В ск . В пере-
ходном режиме СПК дифферент
на корму может достиrать 7 80.
При таком дифференте сопротивле-
ние rлиссирующеrо корпуса возрас-
Rr/Ro
2,1
2,0
1,5
(4.4)
СПК в момент выхода
1
л
0,15
1,0
о
0,10
0,5 1,0 1,5 О 2 Lt В 8 фО .10
СА/С%
Рис. 4.1. Зависимость сопротив-
ления движению СПК на порбе»
от коэффициента наrрузки
1 СПК; 2 rлнссеры
Рис. 4.2. Зависимость относительноrо
сопротивления корпуса от уrла диф
фереита и удлинения смоченной поверх-
ности
1 беэреданные корпуса; II реданные
корпуса
тает по сравнению с ero минимальной величиной для беэреданноrо
корпуса более чем на 30%, для реданноrо до 70%.
С целью сокращения сопротивления СПК в переходном режиме
килевую линию в корму от миделя следует выполнять приподнятой с таким
расчетом, чтобы уrол атаки днища был дли безреданноrо корпуса в преде,!Jах
3 50, для реданноrо 1 40. Следовательно, уrол подъема килевой линии
как разность между ходовым дифферентом при выходе на носовое крыло и
оптимальным уrлом атаки днища для безреданноrо корпуса будет 4 :t 1 о,
дЛЯ реданноrо 5 :t 1,50. Окончательно величину уrла подъема килевой ли-
нии уточняют при испытании модели в ОПЫТОВОм бассейне.
Для rлиссирующеrо корпуса редан целесообразен при отношении
V: V BCK 26 (рис. 4.3). Если скорость на порбе» сопротивления СПК
V r : V В ск > 26, то от редана, расположенноrо на днище несколько ближе
к корме от миделя, начинается подъем килевой линии к транцу.
153
"
Комп.!Jекс указанных рекомендаций ПОЗВО.!Jяет облеrчить дифферентовку
СПК в момент выхода на крыло, уменьшить подсос днища в момент отрыва,
а также вредное влияние корпуса на кормовое крыло.
Отработке формы корпуса речных СПК с ма,lОЙ высотой стоек и неуправ
.JIяемыми крыльями уделяется особое внимание из за значительноrо В.!JИЯНИЯ
корпуса на крылья. Для морских СПК, особенно с автоматическим управле
нием подъемной силой KpbI.!JьeB, допускаются заметные ОТКлОнения от yKa
занных рекомендаций.
Требование уменьшения силы удара водны о корпус определяет OCTpO
килеватую форму носовых шпанrоутов (c.!JerKa воrнутоЙ формы), перехоДЯ
щую к 4 5 MY теоретическим шпанrоутам в CTporo прЯМО.!J\lНейные килева
тые ветви. В районе мидель шпанrоута обеспечивается уrол внешней килева-
т' iJ тости В преде.!Jах 1 o 15° для речных
СПК, 15 250 для морских. К тран-
Т'6езред цу yro.!J КИ.!Jеватости постепенно
1,2 уменьшается до 5 60
Отrиб кромки шпанrоута в
районе скулы, полезный для умень-
шения брызrообразования rлиссиру-
ющеrо судна, может привести к за-
метному возрастанию си.!Jы удара кор-
пуса о ВОДНУ. Поэтому дЛЯ СПl(
отrиб шпанrоута у скулы нежела-
телен.
Плавание в водоизмещающем
режиме (маневрирование в бухте,
движение в условиях, Kor да состоя-
Hиe МОРЯ не соответствует расчетным
УС.!Jовиям, и аварийные ситуации)
д.!JЯ СПК не характерно, оно зани-
мает незначите.!JЬНУЮ до.!JЮ от общеrо
времени эксплуатации. Тем не менее
форма обводов корпуса должна
обеспечивать приеМ.!Jемые условия
П.!Jавания С;ПК в водоизмещающем
положении. С этой целью це.!Jесообразно в носовой оконечности повысиТь
высоту борта и увеличить развал носовых шпанrоутов выше скулы для
создания достаточной плавучести и всхожести на волну. Кормовую око-
нечность следует нескодько сузить к транцу. Это У.!Jучшит устойчивостЬ
,судна на попутной ВО.lне. При разработке теоретическоrо чертежа сле-
дует также удовлетворять требованиям непотопляемости и вместимости.
Соотношения rлавных размерений и коэффициенты теоретическоrо чер-
тежа СПК варьируются в широких пределах. В табл. 4.1 приведены пределы
изменения некоторых коэффициентов и соотношений. Эти сведения MorYT
быть ИСПО,lьзованы при выборе формы обводов и размеров корпуса.
При прямолине!IНЫХ образованиях Днищевых ветвей миде.!Jь-шпанrоута
,ориентировочно можно принять
1,1
\
I
\
i\
\ I
\
\ ,,-
,,-
f\. V I
........ ......
1,0
0.9
0.8
О
20
80 100
v, КN/Ч
Y'В',N
40
60
Рис. 4.3. Отношение сопротивлений
реданноrо и безреданноrо корпусов
В
'м == 1 tg O.
W 4Т
Ес.ТJИ ш == 0,5 (скула поднимается до ватерлинии), коэффициент ос-
тается постоянным: выражение после знака минус в формуле (4.5) становится
равным 0,5 независимо от уrла КИ,lеватОСТИ. Отношение В/Т для СПК варьи
руется в широко\'! диапазоне От 3,5 до 10 (табл. 4.1).
Точка притыкания скулы к форштевню тем выше, чем жестче требование
к мореходным качествам судна. Иноrда скулу поднимаюТ до верхней палубы
{американское СПК «Денисон»). На проекции бока линия скулы имеет вы-
JJукло воrнутое очертание.
154
(4.5)
Таблица 4.1
Предеnы эначениii коэффициентов
теоретическоrо чертежа и соотношений раэмеренNii
построенных спк
Коэффициеиты и СООтиошеиия Диапазои Среднее Квадратич-
изменениЯ значение иое OТКJlO
нение
Коэффициенты полиоты:
водоизмещения () 0,27 0,57 0,42 0,05
ватер.!JИНИИ а 0,60 O,85 0,72 0,04
мидель-шпанrоута . (),42 1,0
М
L: В СК 3,8 8,7 5,0 '1,1
L : (D/"()'i з 5,2 9,2 б,7 1,1
Lm : L пассажирские СПl( 1 ,02 I,20 ] ,12 0,03
Lm : L военные l(Пl( 1 ,{)3 1 ,09 1,Об 0,01
В тр : В СК 0,5Б 1 ,00 0,70 0,15
/! == Вср/В ск 0,65 1 ,00 0,85 0,15
В : Т морские СПl( 4,5 5,5
В : Т речные СПl( От 3,5 до 10
· Коэффициеит !1М зависит от yrJla виешией килеватости.
Очертания форштевня для мореходиых СПК более крутые, чем для ме-
нее мореходных (речных), имеющих полоrую форму линии форштевня.
Для речных СПК линия скулы имеет умеренный подъем и в проекции
«на бок» она, как прави.!JО, без переrибов. При установке реданов необхо
димо обеспечить свободный доступ воздуха в зареданное пространство либо.
соответствующим прОфИ.!Jированием борта, либо подводом воздуха по спе.
циальным канадам (трубам).
, По выбранным параметрам строят эскиз теоретическоrо чертежа, на
основе KOToporo осуществ.!JЯЮТ проверку общей компоновки судна и состав-
ляют принципиа.!JЬНУЮ схему общеrо расположения, необходимую также
для уточнения ПО.!Jожения ЦТ судна по высОте (для расчетов начальной остой-
чивости) и высоты эквивалентноrо бруса (для расчетов общей прочности).
ПОС.!Jе этоrо можно приступать к СОrласованию обводов OCHoBHoro чер-
тежа Д.!JЯ постройки буксируемой модели, а также вариантов корпуса с до-
пустимыми Отклонениями измерите,lей с це.!JЬЮ лучшей отработки формы
корпуса в опытовом бассейне.
i 11. Разработка чертежей общеrо расположения
На современном уровне развития теории проектирования
не мыслится определение основных Э.!Jементов судна (кораб.1Я) без удовлетво-
рения уравнению вместимости. Уже при выборе rлавных размерен ий судна
в первом приб.!Jижении конструктор уверен в том, что полvченный объем
корпуса и erO разuмеры достаточны Д.!JЯ размещения необходю!ых rрузов,
пассажиров, устроиств, механизмов, экипажа, Э.!Jементов снабжения 11 запа
сов, обеспечивающих норма.!JЬНУЮ ЭКСП.!Jуатацию судна. Тем не менее от раз
работки чертежей общеrо расположения отказаться нельзя в связи с боль-
шим KpyroM задач, решение которых невозможно без чертежей общеrо pac
положения.
155
f
Процесс разработки чертежей общеrо расположения носит характер
непрерывноrо уточнения, совершенствования и последовательноrо прибли
жения. Вначале разрабатывают принципиальную схему общеrо расположе-
ния всех помещений, коридоров, тамбуров, сходов на палубах и в надстройке.
Затем в каждом помещении в соответствии с erO назначеНИбl размещают
<Jборудование, разрабатывают принципиальные трассы трубопроводов, элек-
троканализации, вентиляции. Выявляют неудачные узлы, уточняют общее
расположение. Затем более уrлубленно прорабатывают схему расположения
<Jборудования с учетом особенностей конфиrурации помещений, набора
бортов и палуб и т. д. Этот процесс продолжается вплоть до корректировки
рабочей документации на серийную постройку судов. Чертежи общеrо рас-
положения необходимы для рациональноrо использования корпусных объемов
ос целью получения минимальноrо водоизмещения судна при сохранении хо-
роших ero эксплуатационных качеств.
s, /'12
Среди бесчисленных возмож-
ных реализаций сложно найти
наилучшее решение по общей
компоновке судна. Чтобы ближе
подойти к нужному решению,
нужно придерживаться некоторых
общих основных принципов:
каждое устройство, изде-
лие или механизм должны быть
размещены в таких местах, rде
они обеспечивают наибольшую
эффективность эксплуатации (и
пользования) судна;
10 f( при решении вопросов о
месте размещения помещениЙ на
корабле должны учитываться та-
кие факторы, как температура,
шум, вибрация, выделения паху.
чих фракций, удобство транспор
тировки, поrрузки и т. п.;
помещения, соседство ко-
торых недопустимо, должны быть
разделены отсеками с BTopOCTe
пенныМИ помещениями;
неполная полезная наrрузка судна и расход топлива и друrих
:запасов не должны сказываться на продольной центровке;
должен быть обеспечен доступ ко всем помещениям судна без
'lIыхода на незащищенные от встречноrо ВОЗДУШноrО потока участки
.открытой палубы.
На основе опыта постройки и эксплуатации отечественных пассажир-
оСких СПК в 1962 r. была разработана наиболее удачная компоновочная
оСхема судна. По ней в 1962 1969 п. созданы теплоходы «Чайка», «Беларусь»,
rазотурбоходы «Буревестник», «Тайфун». На этих СПК rлавные и ВСПОмОrа
тельные силовые arperaTbI, являющиеся источниками шума и вибрации, раз-
мещены в корме и отделены от пассажирскоrо салона звукоизолирующими
переборками, а также буферными отсеками. Комфортабельный пассажирский
-салон удачно расположен, обладает хорошим обзором.
К такой же компоновочной схеме постепеннО пришли и зарубежные спе
циалисты. Фирма «Боинr» (США) построила в 1968 r. аРТИ,'1лерийский катер
«Тукумкэри», а в 1975 r. ракетный катер «Пеrасус», на которых ЭУ разме-
щены в кормовых отсеках, а боевые посты, поrреба и жилые помещения
11 носу вдали от источника шума. По такому же принципу предполаrается
произвести компоновку французскоrо КПК SA-851.
Перед началом разработки чертежей общеrо расположения следует со-
оСтавить перечень необходимых помещений, определить их площади и основ-
ные размеры (длина машинноrо отсека, ширина салона и т. п.). Для этоrо
1,0
'" ........1
1\.
, ?--.... 2
....... :>-....... t----..
>х.
/, J
+-------- !f
O,5
о
2 '+ 6 8
Общее чцсло кресел 8 ряiJу
Рис. 4.4. Зависимость минимальной
площади салона на одно место
1 СПК дальннх рейсов (2 продольных
прохода между кресламн); 2 СПК дальннх
рейсов (! проход); 3 турнстскне СП/(
(I проход); 4 нанменьшая площадь для
катеров
156
используют расчеты, выполняемые при составлении уравнения вместимости
Необходимо установить основные требования заказчика к размещению каж-
ДОrО помещения. При расположении помещений следует учитывать наличие
поперечных переборок, подкреплений под крыльевые устройства, механиз
мов подъема крыльев и друrие конструктивные особенности. Некоторые
среднестатистические показатели для расчета ПЛощадей и объемов помещений
СПК приведены в табл. 4.2.
Таблица 4.2
Показателн для расчета площаден н объемов
помещеннн СПК
Покаэатель Пределы Средняя I(вадратич-
изменения иорма ное ОТКЛО
иение, %
Размер кресла, м:
длина (с зазором) O,85 I,OO
ширина O,53 ,60
Коэффициент площади на По- 1,13 1,50 1,3 5
перечные проходы
Продовольствениый блок (буфет 0,04 O,07 0,055 10
и кладовая), м 2 /чел.
ВЫrородки вентиляторов и кои- O,05 0,07 0,06 6
диционеров, м 2 /чел.
Число пассажиров на 1 туалет, 50 55
чел.
Площадь туалетной, м 2 1,4 1,6 J ,5 2,5
2-местная каюта экипажа м 2 2,9 4,8 3,4 13,6
Удельный объем машинно;о OT
деления, м 3 /л. С.:
дизельная установка O,019 O,036 0,024 16,7
дизель-rазотурбинная O,024 0,O34 (),028 17
ПУ O,()15 0,(\25 0,017 16
Для оценки объе ов некоторых помещений приведены rрафики стати-
стических зависимостеи. На рис. 4.4 дана зависимость минимальной площади
пассажирскоrо салона на одно место при различном количестве кресел в ряду
и продольных проходов дЛЯ СПК, осуществляющих длительные и короткие
(туристические) рейсы, а также катеров на подводных крыльях. На рис. 4.5
приведена зависимОсть объема маШИННОrо отделения СПК от мощности и
типа ЭУ.
Длина машинноrо отделения зависит от конструктивноrо типа rлавноrо
двиrателя и ero мощности. В частности, И. Я. Баскаков рекомендует длину
маШИННОrО отделения определять в функции от аrреrатной мощности ДВиrа
теля N a по формуле [5]
[м. О == 3,2 Ig N а 5.
(4.6)
Если она судне пр именяются водометы, то длину рекомендуется увеличить
на 10Уо. На рис. 4.6 приведена зависимость объема пиков и на рис 4.7
зависимОСТЬ площади ходовой рубки от водоизмещения СПК. .
При разработке чертежей общеrо расположения необходимо учитывать
рекомендации Кодекса безопасности судов с динамическими принципами
поддержания [40], некоторые из которых, в частности приведенные ниже
имеют He ocpeДCTBeHHoe отношение к выбору оборудования и планировк
помещении.
157
Кресла для пассажиров не должны иметь вытупов,' которые MorYT на-
нести травмы или создать помехи при эвакуации пассажиров в индивидуаль-
ных спасательных жилетах.
Трапы должны быть прочной конструкции И жестко укреплены.
Проходы должны обеспечивать свободное движение пассажиров при
эвакуации.
Должны быть предусмотрены аварийные выходы с местами для руково-
дителей эвакvации.
На палубе должно быть предусмотрено место для развертывания спа-
сательных средств и посадки в них пассажиров.
Необходимо иметь спасательные средства на 110% общеrо числа людей
(пассажиров и экипажа), спасательные жилеты на 105%; кроме Toro,
должны быть спасательные жилеты для детей.
Посты управления судном, места хранения спасательных средств, пути
эвакуации по возможности не должны быть расположены в смежвых с пожа-
роопасными помещениях.
Пожароопасные зоны должны быть
отделены от остальной части orнестойкими
конструкциями.
Расположение rазовыхлопов не должно
создавать пожароопасных ситуаций в нор-
мальных условиях ЭКСП.l1уатации и в aBa
рийных условиях.
rазовыхлопы должны быть размещены
так, чтобы исключить всасывание rаза
системой вентиляции пассажирских пОме-
щений.
Цистерны для топлива и друrих BOC
пла:v!еняющихся жидкостей должны быть
отделены от помещений пассажиров, KO
манды и баrажа rазонепроницаемыми
пространствами (коффердамами), оборудо
ванными вентиляцией и системой осуше-
ния.
Цистерны не должны располаrаться
. в пожароопасных зонах и смежно с ними.
Если этоrО не удается избежать, то они
до'лжны быть изrотовлены из стали или
равноценнorо в противопожарном отно-
шении материа.l1а.
Условия плаваиия СПl( и водоизмещающих судов cy
щественно различны. При движении СПК в условиях волнения на корпусе
и крыльях возникают yдapHO и статически переменные наrрузки, как пра
вило, непериодическоrо характера. Эти наrрузки возникают в результате
ударов волн в корпус при качке СПК, замывания волной стартовых элемен
тов крыльевоrо устройства и скоса потока на несущих элементах крыльев,
I)озникающеrо из-за орбнтальноrо перемещения частиц воды в волне и Bep
тикальноrо перемещения крыла при качке судна. Заранее предуrадать, Ka
кая из наrрузок приведет к возникновению нанбольшеrо изrибающеrо мо-
мента, невозможнО, поэтому общий изrиб судна определяют для различных
режимов плавания: крыльевоrо и переХОДНоrо. Для этих режимов рассмат-
ривают удары волн в носовую оконечность и среднюю часть корпуса. Это
может иметь местО в момент отрыва корпуса от воды, при посадке на воду
и при ходе на крыльях вследствие перемещения корпуса при продольиой и
вертикальной качке.
VH.O,H J
500 Q.
4-00
JOO
200
100
О
N,Л. с .
отделения от
Рис. 4.5. Зависимость объема машинноrо
мощности и типа ЭУ
1 [ТУ с отсеками дизелеil М8лоrо хода; 2 [ТУ (без учета
двиrателеil малоrо хода); 3 дизеЛЬные установки
/2
80
.., 60
""
со
'" 4-0
'"
<::::
'"
'" 20
'<::>
<:::>
13. Проблема внешних сип
О 100 15З 200 300 :О, т 350
Рис. 4.6. Зависимость объема пиков СПl( от водоизмещения
J суммариыi\ объем для пассажирских СПI(; 2 суммариыil объем дла
I(ПI(; 3 объем форпика КПК
8,/12
20
15
10
5
О 5:п Ф
Рис. 4.7. Зависимость площади
ходовой рубки СПК от водо-
измещения
1 морские СПК; 2 речиые,
озерные СП/(
159
Методы теоретическоrо расчета качки СПК еще не разработаны. Для
реrулярноrо волнения существует способ расчета внешннх снл, действую-
щих на крылья [10J. Однако для использовання этоrо метода необходнмо
знать амплитуды вертнкальной и килевой качки судна, а также их фазовые
уrлы скоса потока, вызванноrо орбитальным движением воды на носовом
и кормовом крыльях. Эти дополннтельные сведения MoryT быть получены
после обработки записей кнлевой и вертикальной качки динамически подоб-
ной модели СПК на реrулярной волне в бассейне. В условиях нереrулярноrо
волнения единственным способом определения внешних сил пока являются
достаточно длительные экспериментальные исследования самоходной ди-
намически подобной модели в открытом водоеме. В свою очередь динами-
чески подобную модель можно построить, спроектировав судно, для чеrо
необходимо знать внешние силы. Создавшееся противоречие можно преодо-
леть, использовав метод последовательноrо приближения.
На первом этапе проектирования внешние силы рассчитывают по при-
ближенным методикам с использованием ряда условных предпосылок в от-
ношении взаимодействия корпуса и крыльев с волной. Затем внешние силы
определяют на динамически подобной модели и пр и необходимости уточняют
элементы судна. Окончательные запасы прочности и возможные оrраниче-
ния определяют на проrрессивныХ испытанияХ rоловноrо судна в условиях
волнения. При ударах волн в корпус или крыло изменение rидродинамиче-
ских сил и давлений во времени обычно происходит скоротечно, причем са:vrи
силы, как правило, не оказывают существенноrо влияния на дальнейшее
движение корпуса судна как твердоrо тела.
Исследования прочности СПК на волнении показы ают, что необходим
комплексный учет явлений, связанныХ с rидродинамикои удара и упруrим
свойствами конструкций корпуса и крыльев. Корпус СПК вследствие леrкои
конструкции и низкоrо модуля упруrости используемоrо материала обла-
дает большой rибкостью. Натурные эксперименты показывают, что ускоре-
ния меняются вдоль корпуса нелинейно и упруrие деформации после волно-
Boro удара носят характер свободных затухающих колебаний первоrо тона
[17]. Неучет этоrо явления может пр ивести к большим поrрешностям. В ча-
стности, допущение о корпусе судна как абсолютно твердом теле [22, 23 J
при расчетах напряжений от ударов волны в корпус и крылья некорректно.
Изменение rидродинамическиХ сил на несущих элементах крыльев
вс,тедствие скоса потока во времен и происходит значительн,О медленнее,
чем при ударах волн в корпус и крылья. Время изменения сил на несущих
элементах крыльев соизмеримо с периодом качки судна, поэтому эти силы
и определяют движение судна как твердоrо тела. Для этоrо рода сил корпус
судна можно рассматривать как твердое тело. В ц лом на СПК действуюТ
силы тяжести, инерции от вертикальных ускорении пр и качке, rидродина-
мическоrо поддеDжания и удара волн в корпус и крылья.
Реализация' наихудшеrо силовоrо воздействия волны на СПК зависит
от мноrих факторов конструктивных особенностей судна, ero скорости
и курса относительно волнения, характера волнения," времени плава ия
и т. д. Вероятность осуществления наихудших сочетании силовых воздеист-
вий волн на корпус и крылья может оказаться достаточно малой. И все же
общая и местная прочность корпуса и устройств СПК должна быть достаточ-
ной для противодействия опасному случаю силовоrо воздействия волн.
Эти обстоятельства являются ОСНОВИLl IИ при определении условноrо
характера внешних сил и дают основание делать ряд упрощающих допуще-
ний в части взаЮlOдействия корпуса и крыльев с волной при выполненИИ
предварительных расчетов внешних сил. Ниже приведены методы прибли-
женноrо определения сил воздействия волны на СПК.
23.1. Удар корпуса о волну
Корпуса СП К, как правило, имеют килеватые, клинооб-
разные образования днища. Вопрос силовоrо воздействия жидкости иа вхо-
дящее клинообразное тело изучен достаточно rлубоко, что позволило обосно-
160
ванно сф рмулировать принимаемые допущения и довести метод расчета
до удобнои в использовании схемы [17]. Как и в условной методике расчета
rлиссирующих катеров Ю. А. Шиманскоrо [32], де.таются допущения, при.
веденные ниже.
Длина удара волны о корпус является наперед заданной и постоянной
в процессе удара, равной трем теоретическим шпациям как при ударе в нос
(центр удара в начальный момент временн приходится в 3-й шпанrоут), так
и в среднюю часть корпуса (центр удара в начальный момент времени при-
ходится на 8-й или 9-й теоретический шпанrоут).
Поверхность воЛны на принятой длине удара Считают плоской. Она пер-
пендикулярна диаметральной плоскости судна и расположена касательно
к среднему [32 J или диаметральному [17] батоксу в центре удара.
ш
I
I
'r
о
фma.:n
Рис. 4.8. Схема удара корпуса о волну
1 поверхность СПоКойиой воды; 2 центр удара В среднюю часть корпуса'
3 центр удара в носовую окоиечиость; 4 касательная к средиему
батоксу
Если за время удара в воду входит все расчетное сечение (от киля ДО
скулы), то физически обоснован учет среднеrо по сечению батокса, как это
рекомендовано в методе Ю. А. Шиманскоrо. Если при ударе расчеТное се-
чение BXOД T в воду не полностью, то более правильно принять в расчет диа-
метральныи батокс. учитывая условность расчета, можно принять люб ю
из этих рекомендации. у
Начальную скорость соприкосновения расчетноrо сечения с водой опре-
деляют по методу Ю. А. Шиманскоrо [32]:
V zo == (V в + 1, 25л ,5 ) siп (,ртах + t'I) + 2, 75h в л;- 0,5 cos (,ртах + t'I), (4.7)
[де V B скорость срк в условиях волнения; ,ртах максимальный уrол
дифферента, ко орыи может возникнуть при килевой качке; б уrол Me
жду касательнои к батоксу в центре удара и основной линией. При предва
рительных расчет принимают для судов разряда «Л» 'Фтах == 2 'Фо; раз-
яда » ,ртах 2,5 'Фо; разря"да «О» ,ртах == 3 'Фо; разряда «М»
'l/:rnax "4,0 'Фо [17] ('Фо ходовои дифферент СПК в крыльевом режиме
на тихои воде при скорости V B , ПРИIIимаемыЙ по результатам расчета по-
садки СПК в крыльевом режиме движения). Схема удара корпуса о волиу
показана на рис. 4.8.
З дача сводится к вертикальному удару условноrо килеватоrо тела
длинои 1 о свободную (плоскую) поверхность воды с начальной скоростью V
Масса условноrо тела М Т равна массе судна, приведенной к центру yдa; '
и вычисляется по формуле - ,
м
М т ==
( d ) 2 '
1+
r
(4.8)
6 Заказ М 1856
161
Таблица 4.3
Схема м прммер раз6макм массы судна по отсекам
Номера
Раздел I I I I I I I I I
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Корпус 0,24 0,62 0,92 1,08 1,23 1,33 1,39 1.42 1,45
Крылья 1,4 0,6
Устройства 2.0 0,05 0,05 0,04 0,04 0.04 0,04 0,05 0,05
Оборудование 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23
Системы 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16 0,16
Механизмы
Электрооборудование 0,10 0,10 0.10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10
Снабжение 0,20 0,30 0,20
Жидкие rрузы
КНпаж
Пассажиры 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0.80 0,80 0,80
Топливо
I!.D 0,10 0,10 0,10 0.10 0,10 0,10 0.10 0,10 0,10
Масса отсека тi' т 2,54 1,97 3,76 3.11 2,66 2,76 2,83 2,86 3,09
Множитель: 3
п 19 17 15 13 11 9 7 5
112 361 289 225 169 121 81 49 25 9
m i п 2 917 569 846 526 322 224 139 72 28
тi n 48,3 33,5 56.4 40.4 29,3 24,8 19,8 14,3 9,3
Э
rде d расстояние от ЦТ судна до нормали к среднему (диаметральному)
батоксу, проходящей через центр удара, сннмается с rрафика (см. рис. 4.1).
Квадрат радиуса инерцнн массы судна
/S!5. M x;M
r 2 == (4.9)
М
Для вычисления моментов инерции составляют схему распределения
масс судна по 20 теоретическим отсекам (табл'. 4.3). Момент ннерЩIИ масс
относительно плоскости миделя
fJ.L2
/ == тin2. (4.10)
S!5. M 4
Для прикидочных расчетой можно предположнть равномерное распре
деление масс судна по отсекам. тоrда Xg == О н
L2 '
r 2 == . (4.11)
12
Поскольку в среднем Lm == 1,12 L. то
L 2
r 2 .......!!!:...
15'
(4 12)
На основаннн расчетов (табл. 4.3) можно определить для данноrо чис
ловоrо примера
fJ.L
Xg == тin ==
2D
1,20 .112,2== .,..-..1.01 м;
2.66,7
/ == 1,202 .8864 == 3190 т,м2;
S!5. M 4 .
r2 == 3190 ( 1,01)2.66,7 == 46,8 м-.
66.7
162
отсеков CYM
мы ПО
I I I I I I I I I I I OTce
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 кам
1,45 1,42 1,39 1,36 1,33 1,27 1,21 1,15 1,09 1,05 1,00 23,4
2,00 4,0
0,04 0,04 0,04 0,04 0,05 0,05 0.05 0,05 0.05 0,05 1,18 4,0
0,23 0,23 0,2< 0,24 0,25 2,8
0,16 0,16 0,16 0,18 0,18 0,21 0,18 0,15 0,10 2,6
1.92 1.92 1,92 1,92 1,92 0,50 10,1
0,10 0,10 0,20 0,30 0,30 0,30 0.30 0,30 0,20 0,10 3,0
0,20 0,30 0,20 0,20 1,6
0,30 0,10 0,20 0,20 0.10 0.10 0,10 1,1
0,20 0,20 0,20 0,6
0,80 0,80 0,10 0.10 0,10 0,10 8,4
2,70 2,7
0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0.10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 2.0
3,08 3,35 2,63 5,52 2,51 4,15 3,86 3,77 3,66 3,22 5,08 66,7
1 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19
1 1 9 25 49 81 121 169 225 289 361
3 3 24 138 123 336 467 539 823 931 1834 8864
3,1 3.3 7,9 27,6 17,6 37,4 42,5 49 54,9 54,7 96,5 112,2
По приближенным формулам (4.11) н (4.12) соответственно r 2 == 48 м 2 н
r 2 == 47,5 м 2
d==7fJ.L Xg==7.1,20+ 1.01==9,41 м;
M r == М 66.7 == 23,0 т.
1+ 1+ 9,412
r 2 46,8
Сила удара корпуса о волну может быть найдена нз уравнення
У;О. . d!t . ( , И)
Р==М
r (1 + !t)3 dc U
(4. J 3)
в этой формуле коэффициент прнсоеднненной массы воды н ero пронзводная
по Шllрнне смоченной поверхностн поrружающеrося тела равны
!t==A
СТ )2
(4.14)
1 + 1,6 .Е....
1
1+0,8
1
(1+1.6 )2
:rt 13
А == 1 ф) 'у .
. 2 M r
d!t == 2А
dc 1
1 .
н-т'
(4.15}
(4.16)
6*
163
Коэффициент, отражающий влияние кнлеватостн на прнсоеднненную
массу жидкостн при ударе,
1 ( ) 1 L ,
:rt
(4. 17)
rде средний уrол килеватости,
клина, время поrружения KOToporo
т. е. уrол килеватости эквивалентноrо
до одной н той же ширины смоченной
поверхности одинаково с данным
телом. Средний уrол килеватости
можно подсчитать по одной из сле-
дующнх формул:
z
2
Отношение скорости поrруже-
ния тела V z к скорости изменения
полуширины ero смоченной поверх-
ности dc/ dt может быть найдено нз
уравнения )
:rt
arctg и;
2
(4.18)
с
== 1+ 2+...+ т . (4.19)
т
1
Функцию, отражающую по-
правку на килеватость при уrлах
килеватости, больших 150, находят
по формуле Мевеса
о
у
. '
( , и) 1 УО,06и. (4.20)
:Jt
CJ
C
С5
Рис. 4.9. Схема для вычисления
функции и
. ;V z 2 { S C d [ Z (у) ]
и== == tg 1 +С
dc:rt dy у
& о
dy ) ..
у с2 у2
(4.21)
Для решення этоrо равенства необходимо знать аналитическое уравне-
нне z (у) кривой обводов килеватоrо тела в плоскости zOy (рис. 4.9).
Если килеватое тело нмеет точную форму клина, то
2
и == tg .
п;
(4.22)
Но поскольку форма обводов, как праВНЛО, аналитически не задана, прнме
няют приближенный способ решения. Крнвую, характеризующую обводы
клиновоrо тела, разбивают на равные участкн в пределах ширины по скуле
в среднем сечении. В пределах участка обвод днища может быть аппрокснми-
рован прямой вида z (у) ау + Ь.
Решая уравнение (4.21) для значення полуширины смоченной поверх-
ности килеватоrо тела С т (конец т.ro участка), получим значение и в конце
т-ro участка:
и т Um i + V 1 ( т m 1 У (tg m tg т 1)' (4.23)
164
Сила удара корпуса о волну Р изменяется во времени. От начала поrру-
ження до полуширины Смоченной поверхностн отрезок времени
С т
t m s (1 + fL) udc. (4.24)
V zo о
Заменив интеrрнрованне суммированием, получим
т
В 1
t m (1 + !ti) щ
2V zo т ( , и)
1
(4.25)
rде В ширина килеватоrо тела по скуле в расчетном сеченни.
Процесс удара происходит во времени н в пространстве. За время по-
rружения клинообразноrо тела ero обводы меняются соответственно обводам
движущеrося судна, поэтому принять в качестве расчетноrо эквивалентноrо
клина поперечное сечение судна было бы неправильно.
В первом приближении в качестве обводов клиновоrо тела принимают
проекцию на плоскость шпанrоута сечения днища плоскостью АВ, проходя-
щей через основание 3 ro теоретическоrо шпанrоута и составляющей с основ-
ной плоскостью уrол CPl (рис. "4.10)
V zo
tgCPl ==
V B + 1 ,25л .5
Расчет выполняют в нескольких приближениях до совпадения расчет-
Horo времени входа эквивалентноrо клина в воду с временем перемещения
судна относительно волны на расстояние от 3 ro теоретическоrо шпанrоута
до точки пересечення плоскости АВ со скулой (табл. 4.4). Это время можно
вычислить по формуле
(4.26)
(i 3) дL
t 1
V в + 1, 25л .5
rде i шпанrоут, на котором плоскость АВ пересекает линию скулы в тео.
ретических шпациях.
Результаты расчета для данноrо числовorо прнмера отражены на
рис, 4.10. Окончательное решение (кривая 3) получено для i 6,55. MaK
симальная сила удара приходится на 6.й теоретический шпанrоут (870 кН).
Расчет Р (t) для эквивалентноrо клина с обводами 3 ro теоретическоrо шпан-
rOYTa (кривая 5) дает явно заннженные результаты. Следует иметь в виду,
что приведенная масса судна М, от сечения к сечению меняется по мере из-
менения d (см. рис. 4.8).
Удары корпуса о волну в водоизмещающем положенин (прн малой CKO
ростн судна) происходят практически в плоскости шпанrоута. В этом случае
эквивалентный клнн по обводам практически мало отличается от расчетноrо
шпанrоута. Соответственно нной будет и скорость встречи с волной, а следо-
вательно н снла удара.
Методика А. С. Повицкоrо [22, 23] дает возможность вычислить rидро
дннамическое давление воды на обшивку прн ударе волны на расстоянин у
от диаметральной плоскостн (прн у с)
р V;o [ 1
p u(1+!t)2 (1+и2 ( )2
(4.27)
.. /1....... ( JL ) 2
1+!t V 'с
1
2
и ] ,
0+ и 2 ) (7)2 1
(4.28)
165
rде р плотность воды; /l 61 ( ) лрс2f/2М, коэффнцнент присоедн-
ненной массы для тела бесконечноrо размаха (l 00). в этой формуле с
прнннмается такой величины, прн которой имеет место нанбольшее значение
силы удара Р. Так же как и в рэнее приведенных формулах, при ;?: 150
вместо и прнннмается велнчнна
и* ==
и
(4.29)
6 ( , и)
t с
:х
Р,КН
Рис. 4.10. [рафик изменения силы удара корпуса о волну по Длине
судна
1 проекция линни скулы иа диаметральную плоскость; 2 зависимость Р (х)
во втором приближеиии; 3 окончательное решеиие Фуикции р (х); 4 за-
висимость Р (х) в первом приближенни; 5 сила удара, если в качестве обвода
кnииовоrо тела прннят 3 й шпанrоут
23.2. Удар крыла о воду
Удар крыла о воду возможен в основном при динамиче-
ском поrруженни стартовых элементов крыльевых устройств. Усдовия входа
крыльев в воду MorYT быть разлнчнымн. Нанболее жестким нз них является
плоский удар, который может нметь место для отдельных элементов (пло-
скостей) cTapToBoro крыла. В завнснмостн от конструктивных особенностей
крыльевоrо устройства снла удара может быть направлена под некоторым
166
\
"'
",'"
...'"
<о'"
",,,,
"'"'
:»",
,,!,
",\О
;:;;'"
0"-
",1::
i:S
'11
:z:
с:[
>-
u
..а
..
u
О
:z:
:r
CII
:z:
О
:.:
О
'"
'"
'"
'"
"'
'"
"
\О
'"
"-
1::
2
>-
..
о
u
О
:z:
:::.
'"
:.:
...
u
'"
'"
:»
"-
'"
:2
о
'"
i:
..
::а
:z:
с:
О
'"
/D
О.
111
с[
>-
::а
с:
::1:
u
/D
...
CII
:r
u
'11
О.
О.
Ф
::1:
g-
-.r
",::1:
::r/D
\0)<
и
""
u)
....
с')
""
0000
-00
O'
'<t'
.
ей
C'lC
с
C'I .....
с':) .
C'I
C
с':) .
.....
ей
00 C'I
<:'1 .
.....
'<t'
ей 00
C'I .
С
C'I
'<t'
C'I .
С
:S:
Е-<
u
О
:z:
х
"'"
Q)
.о
о
.....
<о
с
.....lQS: $
oocC'lC .....
O' OO' о'
с
С':)ей 1Q0) О
«:$'В ;:
<:> .... ........-4cD
О..... t--
1Q
.....
.....
с
1Q00 t-- c О
eй'<t'C'I.....o
.ЮС .c<:i
С - -.....<:'1
О..... <:'1
Ie
. _..... О
CC'lO'Q о'
с
lQt--lQlQо
00 ей '<t''<t'C
«:oc<:i_ l2
о u')
О
1:'- __!::но о о
о) ей <:'1 О С
с':) . _ -<:'1
0'0 <:'It--
lQ
с
t--c<:it--C'l'2
C"Iф........ф...."J
'<t' _ _ . ""
o,O
&s
О
.t-- '" о g
'<t'_ ' O "':C'I
OO..:
С,
с
u;
. _lQc<:i C'I
C>C'l0'0' С,
00
О
c<:i"'eйOo
00 ""","N.....-4 0
_ _с;, -'<t'
О Q - !::;
ей
с
.....-4C'1':t--.O et:)
OO....:;_
с C'I c о' с
,:;:: :S:
о Ь '9
... :r:: COI ......... '-... Е;'
@' ........
=:r j:Q .......
с\1 r.;;-
И .q: ::t Q) С'!;о-, о;
'" " ;o-, o;::!.-
;;;" о; ;;;0) Q) ;о-, ...
Q;'g.:;. ;,
;;. ;>.:; -& [ .& g
=: ........ о о о о O cf) 1:: :!
Q)S :S:O) -& -& -&:::!.:t.
.0;0-, C;: O '" о..... ::r;:::Ica.
:;:: С;: Q) ;.., 1:: :i. 1 5 1:: CCi: + + ,
0..0 "",;;; ..... "<:;s "3 0Jj)
i:: i:: u g.,;;;''<t: <> :i. ::1 0Jj) ::::"Q.,
;;; -&
'"
'"
13:
'"
13:
t;
'"
..
'"
са
.,
...
'"
'"
<J
со
Ilo
t--
ей
с
;;;?
. _c<:i C'I
C'C'loO' с
1Q
t--
С
eй
t--МC'lО
o' oc о'
C'I
о)
с
t::gs::!:
. . o
CC'loo о'
о
1::
.;
0:1
"'"
a::i:
с
1Q
С
t--
lQ
О
ей
с
о'
с
00
с
о)
ей
1Q
1Q
С
о)
11
с
C'I
1Q
C'I
C'I
t.'";)
II
с
ей
t--
О
C'l00'<t'
C'l00
<:'1..... О
lQ
0).
000
t--
t--
С
.;
с
11
о'
с
00
<::>
C'I
'<t'
с':)
ей
'<t' t I
о'
00
00
с
C'I
ей
C'I
C'I
:::: 1 I
<=>
t--
'<t'!
t; I 1
О
'<t'
t--
----.+-
lQ r--
C'lCfI
i.i
:::!
---- Q) Q)
:::!::I cci::;
;;;; ;i .
о.. о..
...:'
:i. o 1
+ 1::1::.....
..... .. 11
......, и .....
.......,.;..<J
::1. a::i:
0Jj)
:t
+
.....
.
167
'<t'
.;
с t-- 00
8 со со
IQ C
С СС::>
'<t'
00
8 C'I
о :! I I
... ..,. с
., t-- <:5
., 00
...
s
... с
1'>. О 1'-
... О I I
о '" О
., с
,.Q 00
t;
'"
"
'"
о- О
., О
о 8
б о> I I
0" О О
Ю О
со
О
О
О I
s C I
C'I с
О '<t'
О 1.t:' COC':)C С':) OOI'-NN O Ю С':) C;
о> C'lC'IOC O 00 о> C'I
IQ '<t' C'I '<t' OO ": g C'I _1'- N -ю С':) '<t'
'<t' c-i -о
О 0 <:5-:;) <:5 о - -NO> С О С':) СО I
"''' o о>
"'''
"'"
'-'", О
'" со со r-- ЮО>ОО '<t' 00 '<t'8 о> t-- N .C'I
>,,, ": t-- t-- C'I I I
2' ..,. -1'- C'lI'-NОСО '<t'
о> C с о. <:5 C-<:5 ."": О C'I <:5
;;" M О О
01'>.
'" "
S C':)U')CN С':) 0>С':)N ю 8 C'I о \
NN C'I '<t'
-С':) Ю ooocCOU') NОЮЮО '<t' t-- C'I I I
'" U') .. "' (1) ......... ..,t'--o......... LQ '<t'
C':) с о.......с"'о OO - О О C'I <:5
:i о
Е-< 1::
u
О oi
:с
х '"
"'" "'"
Q)
IQ a:i
с
'" 1::
., :С
.. Е-<':С Е-< о'
о- о <J с;;-
.. _ :I: g s' C'I
t; '-:!: G'
'" '" U') t--
.. IQ ::!:.. N C'I
,",,} '<t' C) .;
'" в о; ....-со Мо; -
'" ф"": C'I . C1I .......
.. u u :С .; ' о; :::! Q)Q)
" :.: o;'<t' Q) »
'" J » о; ......0. ;;; .;:! ::! о; о;
о- » a:i »»
<J о; ;;; Q) Q) Q) о Q..
'" о.......... р.1:; о; ;;; 0;-& о ::! <:а. ...... ;;;;;;
р. '" <-'0> С :>. » Q.. » -& fJJ) о. Q..
'" :I: » -& ;;; ;;; о ;;; о .g..g...... .
:I: :с -& щ)
:со.. . о. о.. 0..1:: О :i: о о I
<ЗJ:с О:С::!:..О о о о O '" 1:: '::!'
a :С 1::-& -& 1:: -&::! :i:- :::t + 1::1::....
:с Q)
'" :>, 1:; O о о - :::t+:t ::! + u '-'- \1
=: о; I:: 1:: :::tl I:: + , '--'
Q..O щ) ....
1::1:: 8' о..Шi :::t "'1 ::t11Jj)...-4:::" ...... ....:....:<::1
с;
;;; -&
.;
\о
'"
Е-<
Q)
:С
:с
Q)
:Е
о;
о
r={
о
"'"
1::
168
уrлом к судну н вызывать не только нзrнб, н н кручение корпуса. Этн об-
стояrельства MorYT быть учтены в конкретных расчетах прочности элементов
крыльев н корпуса (рис. 4.11). Не исключена возможность плоскоrо удара
OCHOBHoro несущеrо HocOBoro крыла СП К с малопоrруженнымн крыльями.
Кормовые крылья, как правило, выполняются без стартовых элементов
н по условиям качки выход их из воды маловеуоятен.
В соответствнн с теорией И. Т. EropoBa [10 J суммарную rидродинамнче-
скую силу плоскоrо удара крыла, обусловленную эффектом присоеднненных
масс жидкостн, определяют по формуле
Р==М .. V Ate tt.
'1+!t
(4.30)
Начальную скорость встречн крыла с поверхностью воды подсчнтываюr
по формуле (4.7) с той разннцеЙ, что вместо уrла 1} ПОДСтавляют установоч.
ный уrол рассматриваемоrо элемента крыла а. Массу судна, прнведенную
к центру удара, определяют по формуле (4.8).
а
Рнс. 4.11. Схема удара крыла о воду
Коэффнцнент прнсоеднненной массы воды пр н ударе крыла с хордой Ь
и' размахом l
== p:nb 2 l ( J!... )
!t 8М, 62 ['
(4.31)
rде безразмерный коэффнцнент, характернзующнй влнянне конечностн раз-
маха крыла на велнчнну прнсоеднненной массы прн ударе, определяют по
формуле Пабста:
62 (+ )
1
1 + O,8b/l
(4.32)
Параметр завнсит от коэффнциента прнсоединенной массы, скоростн звука
в воде и величнны хорды. Для нахождення MorYT быть нспользованы дан-
ные табл. 4.5 [17].
Полученная по формуле (4.30) снла удара является макснмально воз.
можноЙ. Практическн чистый плоский удар маловероятен в силу искрив-
ленности поверхности волны. Помимо этоrо в момент удара под крылом мо-
жет оказаться воздушная прослойка, которая существенно снижает силу
удара и увеличивает время ее действия. Особенности силовоrо воздействия
воды на крыло при различных случаях ero входа в воду детально разработаны
[10] и MorYT быть использованы для расчетов прочности крыльевоrо устроЙ-
ства н подкрепленнй корпуса под Hero. Прн этом необходнмо учитывать, что
169
Таблица 4.5
Да иные для опредепення параМетра Ь
J.L 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,1 0,8 0,9 1,0
Ь 46,1 50,9 57,3 64,з 72,3 80,4 .88,4 99,2 11п 125
, м/с
. 2
!t 1,1 1,2 1,3 i ,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0
Ь м/с 153 182 217 252 288 329 369 413 454 496
2'
крыльевое устройство и корпус судна являются в определенной мере
упруrимн конструкцнямн. Эта упруrость сказывается на величине r дарных
сил. Расчетный метод прнближенноrо решения такой задачи [17 может
быть использован для уточнення велнчин действующнх сил на крылья и
корпус на этапе эскизноrо и техническоrо проектирования.
23.3. rидродинамические силы, возникающие на крыльях
.в условиях реrулярноrо волнения
Существующий способ определения rидродина lIIческих
снл, действующих на несущие элементы крыльевоrо устройства [10 J, как
уже отмечалось, использовать в полной мере невозможно, так как неизвестны
параметры вертикальной н килевой качки СПК (амплитуды и фазовые уrлы).
Схема ориентировочных расчетов должна быть упрощена rлавным обра
зом пренебреrают самой качкой, т. е. влиянием скоса потока от вертикаль-
Horo перемещення крыла при качке на ero подъемную силу. Такое допуще-\
нне вноснт поrрешность в расчет, но иноrо выхода нет, поскольку проrно-\
зировать параметры качки невозможно до испытаний самоходноЙ модели.
на реrулярной н нереrулярнон волне. В этнх условиях нестацнонарная rи}{-
родинамическая сила может быть определена по формуле
Р (t) == Z { 1 + а в [sin rot + 'V sin (rot + е)] } .,
а+ ao ao
(4.33)
rде Z стационарная сила на крыле в условнях тнхой воды, определяемая
по формуле (3.18); а в нанбольший уrол скоса потока, вызванный орби-
тальным движением частиц воды на rлубнне поrружения крыла h при CKO
рости СПК на волне V B , который может быть найден по формуле
h B V 2g n
а в == Л в ехр ( 2nh ) ;
2V B л. в
(4.34)
ro уrловая частота встречи с волной, получаемая нз уравнення
2п
oo== ;
't'K
(4.35)
170
", е 8екоторые безразмерные параметры, снимаемые с rрафика- (рнс. 4.12)
и завнсящне от коэффнцнента
ооЬ
!t== 2V B ;
(4.36)
't'K кажущнйся пернод встречц с волной, который находят по формуле
Т К ==
л. в
V + 1 25л. О ,5
в ' в
(4.37)
fндродинамнческне силы на
кормовом крыле определяют по
тем же формулам с учетом Toro,
что макснмумы сил сдвинуты по
фазе на
\1
в.
. .J
. n
.2
'01
tф == L Kp
V a
J-L J
(4.38)
0,5
Подсчитанные по прнведен-
ным формулам нестацнонарные 0,4
rндродннамические силы не явля-
ются точнымн.
На подводных крыльях, обо-
рудованных системой автоматиче- D,З
cKoro управления подъемной сн-
лой (с целью стабилизацнн судна
в условнях волнення), результн-
рующне нестационарные rндродн 0,2
намнческие снлы в несколько раз
меньше, чем на НПК. Кратность
уменьшения сил завнсит от сис
темы стабилизацин. Как правнло; 0,1
невозможно проrнознровать Воз-
действие реальной волны на
крылья (с учетом работноrо вре-
мени снстемы автоматикн и ис-
полнительных механизмов) и з
блаrовременно изменить подъем
ную силу крыла. Все системы
стабилизацнн работают на прин
цнпе реаrирования на ВОЗмущаю
щую снлу через поведенне судна (крен, днфферент, линейные переме-
щения, нх первые и вторые производные по времени). В результате
создаваемые орrанами управления стабнлизнрующие усилня сдвинуты по фа-
зе, а остаточные деЙствующие силы по величине существенно уменьшаются.
Однако для расчетов прочности СПК этот момент учитывать не следует, по-
скольку в момент выхода из строя автоматикн opraHbI управления фикси-
руются в нулевом положенин н подводные крылья превращаются в неуправ-
ляемые. На ннх MorYT возникнуть усилия, характерные дЛЯ НПК. Инер
циальность снстемы (СПК) велика, что не позволяет MrHoBeHHo поrасить
скорость судна н перевести ero в водоизмещающее положение. Поэтому не-
завнсимо от типа крыльевоrо устройства прочность ero должна быть обеспе-
чена во всех возможных в эксплуатацни случаях.
1&+
J
п+
6
о
1
2
Рнс. 4.12. fрафик зависимостн 'V н е
от !t
171
i 24. Особенности расчета общей прочности спк
Расчет общей прочностн судна своднтся к отысканню
нанбольшеrо нзrнбающеrо момента в заданных условнях плавания СПК.
Заранее трудно предуrадать, при какнх условиях плавання нзrнбающнй
момент прнмет максимальную величнну. Поэтому расчеты общей прочности
выполняют для разлнчных условнй плавання судна как в водоизмещающем
положеннн, так и на крыльях.
Для водонзмещающеrо положення судна рассматривают нзrнбающие
моменты на тнхой воде н на волнении (на вершнне н подошве), учнтывая
на волненнн также волновые изrнбающне моменты и дннамнческие удары
волн в носовую оконечность н стартовые элементы крыла.
В крыльевом режнме определяют нзrнбающне моменты на тнхой воде
и на волненин. В последнем случае учитывают дннамнческне удары волны
в носовую оконечность, в стартовые элементы крыла н в среднюю часть
ДНнща. Рассматрнвая разлнчные сочетання возможных снловых воздействий
и пронзводя наложение изrнбающих моментов, можно выявнть расчетный
случай для формнровання системы продольных н поперечных связей корпу
са судна.
24.1. Изrибающий момент в водоизмещающем
положении судна
Изrнбающий момент СПК в водоизмещающем положении
складывается нз момента на тнхой воде, волновоrо нзrиба, нзrнба от удара
волн в носовую оконечность корпуса и в ста ртовые элементы HocoBoro крылье
Boro устройства.
Дннамичность волнення,
поскольку период встречн с
х
1,0
как правнло, дЛЯ СПК учитывать не требуется,
волнамн в несколько раз превосходнт период
свободных колебаннй корпуса пер.
Boro тона [17]. Поэтому вертикаль
ное перемещенне сечения корпуса
можетбытьпрннятобезвнбрацнонной
составлЯющей
I"iii ...
::::.
" " I
\1'\1\; 1
r\ :\1\..
2 '1'-.
i\
1"
"
w == z + ( + ) L'i'. (4. 3 )
Для СПК силы инерцнн црн
качке снльно влияют на изrиб
судна. Это объясняется большнмн
скоростямн н большнмн амплиту
дамн качки. Поэтому вместо стати-
ческой постановкн судна на вершнну
н подошву волны следует выполнять
расчет качки по методу А. Н. Кры-
лова, несмотря на некоторую ero
сложность (необходимо совместно
решить четыре уравнення с четы
рьмя неизвестными параметрами).
Прн расчетах снлы ннерцни прн-
соединенных масс воды прннимаются
пропорцнональными ускоренню поверхностных частиц воды относнтельно
сечення судна, весовая ннтенсивность присоеднненных масс воды может
быть прннята по r. Е. Павленко, а сопротивление воды прн качке по
М. Э. Хаскннду [15].
Из за низкоrо модуля упруrостн СПК обладают большой rибкостью.
При ходе в водоизмещающем положении rндродинамнческне снлы поддержа-
ння прнводят к некоторому изrнбу корпуса н сннженню изrнбающеrо мо-
0,5
0,5
1,5
У, 2,0
1,0
Рис. 4.13. rрафик изменения коэф-
фиuиента rибкостн Х
1 прн проrнбе; 2 прн переrнбе
172
мента. Эта поправка относи-
тельно невелика н может быть
вычислена по приближенной
формуле
М зr == ХМизr' (4.40)
rде М изr изrибающнй MO
мент без учета rнбкости;
М зr изrнбающий момент с
учетом rнбкостн; Х коэффн-
цнент rнбкостн, определяемый
по rрафнку (рнс. 4.13) в зави
снмости от а prYMeHTa:
'V == (1 + 215) L 4/ кв
1 6 V 4Е 1 F '
(4.41)
rде б коэффнцнент полноты
водонзмещения; L, В длнна
и шнрнна судна, м; К ко-
эффнциент упруrой податли
востн воды, равный 0,98 кН/м 3 ,
нлн 0,1 тс/м 3 ; Е модуль
упруrостн материала корпуса,
кН/м 2 , нли тс/м 2 ; 1 F момент
ннерцнн сечення эквивалент
Horo бруса по мнделю, м 4 .
'"
>:
.:1000
"
..
I
Q,/(H
300
200
100
О
10('
200
500
зоо
1500
Рис. 4.14. Крнвая нзrнбающнх моментов
и перерезывающих снл СПК в крылье
вом режиме на тнхой воде (для СПК по
расчетному прнмеру)
24.2. Изrибающий момент СПК в KpЫ
льевом режиме на тихой воде
Задача своднтся к рассмотренню
судна под действнем собственноrо веса
и снл реакцнн крыльев. Разбнвка массы
судна по отсекам проведена ранее прн
вычнсленин приведенной к центру удара
массы. Реакцнн крыльев i 11 и [к опре
деляют путем rндродннамическоrо рас-
чета крыльев. ПО этнм данным строят
крнвую ннтенсивностн наrрузкн q н
реактивных наrрузок ql! и QK' Перере-
зывающне снлы н изrибающие моменты
(рис. 4.14) вычнсляют обычнымн прн-
емамн таблнчноrо интеrрнровання
(табл. 4.6). Незамыканне на послед-
нем теоретическом шпанrоуте разносят
линейно по длнне судна.
Для орнентировочных расчетов
нанбольшнй нзrнбающнй момент СПК
на тнхой воде в крыльевом режиме мо-
жет быть найден нз выраження
М DL Kp (4.42)
T.B К
rде коэффициеит К завнснт от I кр
(рнс. 4.15).
/{Т.8
25
20
15
10
......
5
о О, Lf 0,5 D,б D, 7 0,8 0,8 1,(}
LKp/tтax
Рнс. 4.15. Зависимость коэффн-
циента изrибающеrо момента на
тихой воде дЛЯ СПК (крыльевой
режнм) от относнтельнorо pac
стояння между крыльями
1 «Спутник»; 2 «Буревестник»;
3 «Чайка»; 4 «Вихрь»; 5 «КО-
мета»; 6 «Метеор»; 7 «Беларусь»;
8 «Ракета»; 9 СПК по расчетиому
примеру
173
:;5", 11 :i
:::::: ОЮФ ОЮООООООООЮОООО
:: s' '"<1
i Q I:>J ф ф фЮ ффф Ю
= ФФФ Офф I I
""" '" :I: I I I \ I I I I I
ro\O :]j .... ::s:: " 1 1 I I I
,g-C
, 11
х :2
'" :I:
: " с
i ",' "" :.: OOOOOO OOO80000$ O O
'" ::;;: с I I
g- 11 ' I Ю фф M Ф
O""""i........................................................
: t3
<1 Х
i:: 11 ;:
."
s' О ф s gз 8
Q . :2
"''" I :I: ф l ю фО Оф I I
<1 C'I I I I 11""11""1\"'1' 1 I I
<..o:3
"'о 11
::::3
, '" 11 G- Ою ююю ф юфО
:s ctlо,........ ф ,ю фф ф
s' "' :I: 00 I I I I I
",Q ,,<1:': " " I
u ;311
<1) . юф ф ф М О
. ::siO o6 g
Q)=:........::g
iC .... ф О юМ фю I I
О юффю О +
:::"':3:': I I I I 1 +
"'» 1 I 1 1 I I I 1 1 I
<..0<)
I fЗ фю ю фф Ою фю
06 6 o
:JiS I:I: со ro ООф ......ф ............ фоroффN I I
Cl.==5: 111""111 I I I
ctliC::g
:>J I IO M I
:2+:I: u) I
6
ю
'" "
::g
uuctl
=",iE:I: .... I I I i I I I I I I I I I I I I I I lii I
r< 2'
= ::i ю
:::::=0'>-
1::
t = .
=0:.::I: ф фф М ффю ю ф
со == с') oo g '
::glIlo...
G'"' фф О ф О Ф
>. == CI:!........ ro юю
U "н
IЕЗ
ф ф ю Оф ф
: "" 16 6 6 o I
ю
<).,'>-
:.: :E
<1)
<J ф фО юф фО ;::;:0..:<:;::;:
'" >. :<:;::;:
О ................................................................C"I UUQ)>'
:s: о::: U
'"
CII
с[
о
'"
'::1:
О
><
::1:
..
ID
%
=
'"
Е::
:а
о.
х
Е:: ID
::1: %
u
ID
>< %
::I:C[
:r>-
2 u
ID CII
;
><
0.::1:
uo..
Е::
ID
..",
2
0."
0.0
CII "
" ><
::1: ::1:
o..:!"
.<fE:: 2
'11 ::1: ID
:r \D
:s: ta
'11><
....U::l:
Н4
24.3. Изrибающий момент СПК на волнении ,
Общий изrиб судна следует рассматривать для двух слу-
чаев: при ходе на крыльях и при ходе в водоизмещающем положении.
При ходе СПК на крыльях по взволнованной поверхности воды к ero
изrибающему моменту на ти хой воде следует добав ить изrибающие моменты,
возникающие на корпусе от ударов в Hero и в крылья волны (стартовые эле
менты), а также момент, возникающий в корпусе от нестационарных сил,
воздействующих на несущие элементы крыльев. При этом следует учитывать,
что указанные силы действуют разновременно, в разных плоскостях и раз-
ное по длительности время, а следовательно, вызывают различные механи-
ческие явлення в корпусе, Так, если воздействие нестационарных сил на
несущие элементы относительно длительно во времени и вызывает общее
перемещение судна, то удары волны в корпус и особенно в крылья скоро-
течны и приводят к быстро затухающим вибрационным колебаниям корпуса
с периодом свободных колебании первоrо тона.
При ходе судна в водоизмещающем положении помимо момента на ти-
хой воде и на волне на корпус MorYT воздействовать удары волн в носовую
оконечность и в стартовые элементы крыльев. Удары волны в корпус и в
крылья также вызывают свободные колебания корпуса первоrо тона, кото-
pЦIe к моменту очередноrо удара успевают затухать.
При упруrих колебаниях корпуса вертикальное перемещение ero сече-
ния, имеющеrо абсциссу х, определяется равенством
( Х 1 ) "',
w==z+ L'IjJ+ fi<Pi'
L 2 i 1
(4.43)
Здесь условно принимается, что ЦТ судна лежи.т в плоскости мидель-шпан-
[оута. В формуле (4.43) первое слаrаемое означает вертикальное перемещение
Bcero судна в целом, второе перемещение сечения вследствие дифферента
и третье перемещение от изrиба продольной оси корпуса, представляю-
щее собой сумму произведений форм свободных колебаний fi и rлавных KO
ординат <Pi, соответствующих i-MY тону свободных колебаний корпуса. Функ
ция fi зависит от абсциссы х, а z, 1jJ и <Р от времени.
Изrибающие моменты и срезывающие силы при известных наrрузках
Р (х, t) MorYT быть определены интеrрированием сил инерции и наrрузки
х )
Q==S[ ; . д 2 ш t)] ш; I
+P(x,
дl 2
о
j (4.44)
х х
М иэr == S S [ д 2 ш ]
. +P(x, t) dx 2 ,
дl 2
О О
rде q интенсивность массы судна с учетом инерционных масс воды, BO
вл екаемых крыльями и корпусом (водоизмещающее положение) в колеба
тельный процесс.
Трудность решения уравнений (4,44) заключается в том, что ускорения
'i, 1jj и <р достиrают максимальноrо значения не одновременно с действующими
силами Р (х, 1). Это может привести как к увеличению, так и уменьшению
изrибающих моментов.
Действительно, если рассмотреть встречу судна с однночной волной
(рис. 4.16), то нетрудно убедиться, что на различные ero элементы в разное
время действуют силы, подчиняющиеся своим законам. Их величины и ха-
рактер взаимодействия зависят от конструктивных особенностей судна, эле
ментов ero движения, направления движения волны относительно судна,
волнения, носящеrо стохастический характер, и друrих факторов.
175
CI.1
IQ
Е-<
()
1:1:
<а
"'"
Е-<
()
О
"'"
1::
=:
=:
:1:1
CI.1
;;;
CI.1
"'"
IQ
О
IQ
1>;
""
о;
:а
"'"
:.:
........ =:
()
:t: »
'<:t-;j 1::
"'"
О
:.:
<а
:1:1
о;
=:
()
1>;
:1:1
IQ
Е-< \
()
':1:1
с1.. CI.1
'О:{
0:1
Х
r-. U
,..... "i->
1-> ...... со
...... '"
t:l. .q;
t:l. u
=:
о..
"i->
П6
На каждое воздействие силы судно отвечает соответствующим переме
щением и как твердое, и как упруrое тело. Поэтому правильнее определять
изrибающие моменты по фактической кривизне упруrой линии корпуса.
Как правило, достаточно учитывать упруrие деформаuии с частотой первоrо
тона. Тоrда выражения для изrибающеrо момента и срезывающей силы в ка-
ком-либо сечении [17] принимают вид
М иэr == Elf;fJJl;
Q :х (EJt;j., " )
( 4.45)
Для решения этих уравнений яеобходимо знать форму упруrой линии
'1 и rлавную координату fJJ1'
24.4. Форма упруrой ЛИНJ!jН и частота свободных колебаний
nepBoro тона
Для определения формы колебаний '1 в первом прибли-
жении целесообразно использовать метод П. Ф. Папковича, который реко-
мендует форму колебаний принимать в виде
( х 1 ) .пх
'1==I\1+ 1 [ 2 + SIПт,
(4.46)
rде 1\1 и 1 коэффициенты, которые находят из условий динамическоrо
равновесия:
L
S (т 1 + т) '1Ш == о;
о
Lx J
s s (т 1 + т) '1 ш2 == О,
о о
(4.47)
rде m 1 == q/g интенсивность массы судна без при соединенной массы воды;
'т интенсивность присоединенвой массы воды, вовлекаемой в движение
крыльями при колебаниях корпуса;
т == ...::.
4
lb 2 t,
g
(4.48)
rде Ь и l хорда и размах крыла.
Коэффиuненты 1\1 и 1 MorYT быть найдены совместным решением урав-
нений (4.39) и (4.40), в которых интеrрирование заменено приближенным
суммированием:
1\1 т1+ т + 1 т1+ т ( ) + 1
то то L 2
+ т1+ т . nx О
sш == ;
то L }
I\1 т1 o т + 1 т1 O т х'
Х ( +)+ т 1 o т sin x ==0.
( 4. 49)
177
Квадрат частоты свободных колебаннй первоrо тона находят по формуле
1 ..пх
SIn
10 L
l11t + дт '
то
В формулах (4.49) и (4.50) то и 10 представляют собой соответственно
единичную интенсивность массы и единичНый момент ннерцнн сечення судна,
вводимые для удобства вычислений.
Момент инерции 1 эквивалентноrо бруса подсчитывают по обычным пра
вилам без редуцирования пластин, для чеrо набираюТ миделевое сечение
при неизвестном еще максимальном изrибающем моменте. Из сложившеrося
тупика выходят, применяя метод последовательных приближений. Сначала.
ориентируясь на прототип, определяют отношение максимальноrо изrибаю
щеrо момента к наибольшему изrибающему моменту СПК на тихой воде
в крыльевом режиме и, сохраняя это отношение для проектируемоrо судна.
находят М тах . Для этоrо момента набнрают конструктивный мидель и оп
ределяют для Hero момент инерции. Распределение момента инерции по
длине производят по прототипу.
Затем, после определения для проектируемоrо судна действующеrо MO
мента, вносят изменения в конструктивный мидель и в последующем прибли
жении уточняют форму упруrой линии, частоту свободных колебании пер
Boro тона, обобщенные силы, rлавную координату и друrие элементы.
Частота свободных колебаний должна быть взята с учетом поправок
на потенциальную энерrию сдвиrа и кинетическую энерrию вращения по-
перечных сечений корпуса судна
лi I испр == л.
л. == п 4 Е! о
m o L4
(4.50)
1
1 + k 1 + k.
. (4.51)
Таблица 4.7
Схема опредепення c06CTBeHHO частоты nepBoro тона
Номер 1, т.. А т, т.+Ат. т,+Ат т,+Aт х 1
отсека м' 1. т/II. т/м т/м т. т. L 2
\
2 3 4 5 6 7 8 9
Нос О
1
2
20
Корма
Сумма I I I I
Исправлен I ' I 1.
ная сумма
178
Поправка на сдвиr
k ..:... 1t4E1o.
1 GFпрLl
:0
. пх
SJn
L
( ДLL ).
(4.52)
2 312
1+
2
rде G модуль сдвиrа, равный для алюминиевых сплавов примерно
'0,265.108 кН/м 2 ; F пр приведенная площадь при сдвиrе, прнблизительно
равная площадн вертнкальных стенок эквивалентноrо бруса. Поправка на
вращенне поперечных сечений
k. ==
2
т 1 Н пр
10m o L 2 ( дL )
. ' L
.
i+
2
т 1 + дт '
то
(4.53)
rде тl средняя интенсивность массы судна без присоеднненных масс
воды; Н пр приведенная высота борта. .
Расчеты удобно вести в табличной форме (табл. 4.7).
Еслн учитывать приближенность определения внешннх снл, дальней
шее уточнение расчета частоты свободных колебании н формы колебаннй
первоrо тона, по-видимому, не имеет смысла и на первом прнближеннн можно
остановиться.
Более точные расчеты, методы которых изложены в специальной лнте-
раТуре, имеют смысл на этапе техническоrо проектировання н разработки
рабочих чертежей, коrда имеются обшнрные материалы по испытанням бук
снруемых моделей, а также самоходных моделей на открытом водоеме.
вертнкапьных копебаний методом Рэпея Папковнча
(7) .slп 11: х 11:Х slп' (1).
(7)«9) (10) (12) siп 13-(9) ,.
L L 1. L
10 11 12 13 14 15 16 17 18
О О
I
I
I I I
' '
179
24.5. rлавная координата, изrибающий момент
и срезывающая сила
Для определения rлавной координаты СР! используют
уравнение Лаrранжа, преобразованное применительно к первому тону вер-
тикальных колебании [17]
1 + 2'1 1 + лiСР1 Ф1 (t) , (4.54)
М 1
rде обобщенная сила
Обобщенная сила может быть задана в виде rрафика в зависнмостн от
временн t. Обобщенная масса
L
М 1 S .!L. fidx Lmo m1 + m fl.
g то
О
Уравненне (4.54) приводят к общему виду
СР! e "t ( СРО cos лv t + o + СРо'1
Лv
t
e "t f ф ( t )
+ е"Х sin)1 (t х) Ш,
1..1'. М 1
О
ь ,
Ф1 S Р (х, t)f1 dx .
а
(4.55)
(4.56)
\
sin Л 1 ,t) +
( 4.57)
rде частота свободных затухающих колебаний с учетом сил сопротнвлення
1..1' v лi + ,f . (4.58)
Считают, что в начальный момент удара судно не имеет ни вертикальноrо
отклонения, ни вертикальной скорости, т. е. ЧJо О.
Поскольку Ф1 и), как правило, задается в виде rрафика или таблицы,
то интеrрирова.ние заменяют суммированием с переменным верхним преДЕ1
лом. Время деиствия силы удара разбивают на n равных ннтервалов j\, t d;
Т/n.
Величина коэффициента сопротивления '1 прн внбраuни исследована
еще недостаточно. Ориентнровочно прннимают
'1 0,071..1' (4.59)
На величину наибольшеrо значения rлавной координаты ЧJ1 сопротив-
ление '1 мало влияет. Оно влияет, rлавным образом, на время затухания KO
лебаний (обычно три-четыре колебания). Поэтому для нахождения rлавной
координаты можно допустить, что '1 О.
При указанных допущениях формулы для rлавной координаты прнни
мают вид:
для
180
времени, меньшеrо Т (j < n),
СРи М ( sin Л1tj f Ф1 (Щ COS Л1tl
2Л1М1 I O
cos Л1 t j o Ф1 ий sin л 1 t i ) ;
(4.60)
для времени, большеrо Т (j > n),
CP1j М [ siп tl Ф1 (ti) cos Л1 t i cos Л1 t j Ф 1 ид sin Л 1tl ] ' (4.61
2Л1М1 I O I O
Прн плоском ударе крыла (cTapToBoro элемента) о воду продолжитель-
ность удара мала по сравнению с пернодом свободных колебаннй корпуса,
а величнна нмпульса силы остается конечной, т. е.
2:n: ]
T« '
1..1 '
Snp ФМ »0.
( 4.62)
в этом случае rлавная координата (при '1 О)
СР1== siпЧ.
Л 1 М 1
(4.63)
Приведенный нмпульс для этоrо случая находят по формуле
'Snp == Sf1P'
(4.64)
rде '1Р координата формы колебаний первоrо тона в точке, rде располо-
жено крыло
т
S == S Poe ttdt
О
РО .
Т"
(4.65)
РО== М,
!t V zo .
+!t
После определения f 1 И ЧJ1 нетрудно по формулам (4.45) найти изrибающие
моменты н перерезывающие силы.
24.6. Приближенные способы определения
изrибающеrо момента на волнении
Для ориентнровочных оценок величин расчетных нз-
rибающнх моментов, действующих на СПК при волнении, можно восполь-
зоваться рекомендациями PerHcTpa СССР [24].
Изrибающие моменты при движении СПК в водоизмещающем положе-
нни для случая ero удара о волну носовой оконечностью (проrиб) н средней
частью (переrиб) определяют по формуле
DL
Мр nпл,
12
( 4.66)
rде nпл переrрузка в ЦТ судна при ударе корпуса о волну в зависимОСТи
от высоты волны 3% ной обеспеченности н относительной скорости отрыва
носовой части корпуса Fr:\ == V r , снимаемая с rрафика (рис. 4.17).
V g V DI'\'
181
Изrибающий момент при крыльевом режиме движения СПl( определяюr
по формулам
М КР == М т . вnкр;
]
nкр == 1 + nh B ( 1 + 0,8V ) [ 1 зt (h H + h K ) ] ,
L Kp JfL Kp L Kp
rде М т . В момент при движения СПl( на крыльях в условиях тихой воды,
определяемый по расчетной схеме, приведенной в табл. 4.6, или по формуле
(4.42); h B расчетная высота волны 3% ной обеспеченности, м; V CKO
рость СПК на тихой воде, м/с; h H , h K rлубина поrружения HocoBoro и
KopMoBoro крыльев соответственно, м.
2,0
L.--
,;'
/
1/
1/
V L.--
V 2
J L,....
v
v Lf v
v ,; 5 J...,
17 J..- 6 b
/ I? 1/ .....1--"
D L..o
/ ;'
/ 7 ... / L..-
V ..,у
v V.-- l....- ./ .--
...- i..- ..... ......
Ппл
3,0
1,00,5
3,0
F r З,5
r 4
1,5
2,0
1,0
2,5
Рис. 4.17. Зависимость переrрузок в ЦТ судна при ударе кор-
пуса о волну от относительной скорости и высоты волны
1 проrиб, hB 3,5 м; 2 переrиб (3,5 м); 3 проrиб (2,0 м); 4 Пе-
реrиб (2,0 м); 5 проrиб (1,25 м); б переrиб (1,25 м)
25. Особенности расчета прочности
ирыпьевоrо устройства
В зависимости от конструктивной схемы крыльевое YCT
ройство рассчитывают либо как балку с жестко заделанным верхним концом
стойки (одностоечные схемы), либо как раму с жестко заделанными в кор-
пусе стой ками.
При определении эпюр изrибающих MOMeHTqB для каждоrо пролета,
крыльев и стоек необходимо рассмотреть все возможные в эксплуатационных
УСЛОВИЯХ наихудшие сочетания усилий от внешних сил.
Усилия, действующие на несущее крыло, Подсчитывают по формуле
(4.33) и принимают по наибольшей величине. При этом без заметной поrреш
.ности можно считать наrрузку равномерно распределенной по размаху не-
сущеrо крыла. Не исключено оrоление малопоrруженных крыльев на вол
182
(4.67)
\
нении. Для этоrо случая силу удара крыла о воду определяют по формуле
(4.30). .
На стойки крыльев помимо сжимающих усилии от сил, возникающих
на несущих плоскостях, действуют боковые силы реакции воды при цирку-
JIЯЦИИ судна и при боковом ветре.
Центробежная сила при циркуляции судна
D V
V ц == . R ц '
.g
rде V ц скорость судна на циркуляции, ориентировочно равная эксплуа-
тационной скорости при использовании номинальной мощности rлавных
двиrателей; R ц радиус циркуляции судна (ориентировочно может быть
принят в пределах от семи до девяти длин судна). Поскольку маневрирова-
ние СПК может осуществляться и в
момент шквальноrо ветра, то к цeHT
робежной силе следует прибавить
силу давления ветра на боковую
поверхность судна
R B == SiPi' (4.69)
На стойки и несущие элементы
KopMoBoro крыльевоrо устройства
MorYT действовать также моменты,
возникающие при воздействии на
стойки нескомпенсированноrо за
крученноrо потока, отбрасываемоrо
тянущими винтами, или в резуль-
тате перераспределения давлений
при несимметричных срывах потока.
Следует также учитывать силы, воз-
никающие на рулях, и направление
их действия.
Для предварительной оценки
КОНСТРУ ктивной схемы крыльевой
рамы можно воспользоваться при-
ближенной формулой, служащей для
определения величины пролета между
стойками или длины консоли крыла
. V i UTS
lпр == kcb D '
(4.70)
4.68)
вл
t[б
I n, 1 n, . ! n, 1 n,
Рис. 4.18. Схемы для расчета рамы-
крыла: а характер наrрузки на
несущее крыло; б характер Ha
rрузки на стойки
rде k коэффициент, для речных СПl( k == 1,0; для морских k == 0,3.
В формуле (4.70) приняты размерности: Ь м; а т тс/м 2 ; S м 2 ; D т.
После определения наrрузок и уточнения конструктивных размеров по
методу уrловых деформаций рассчитывают крыло (рис. 4.18, а) как раму
с неподвижными узлами. Для уrлов поворота в узлах 1 и 3 составляют два
уравнения и находят опорные моменты. Затем определяют пролетные мо-
менты от наrрузки и строят эпюры изrибающих моментов для каждоrо пр .
лета. По максимальному изrибающему моменту определяют минимальным
момент сопротивлени я поперечноrо сечени я несущеrо крыла
М изr
Wm;п== '
Uдоп
(4.71)
183
После этоrо находят среднюю толщину обшивки профиля крыла 6, при
которой обеспечена ero прочность. Необходимо решить уравнение
БЗ 3сб2 + 2с 2 6 . W mln == О, (4.72)
7 Ь
которое справедливо для cerMeHTHoro профиля с плоской нижней кромкой
и дает хорошие результаты для плоско-выпуклых профилей друrих типов.
Толщина обшивки профиля должна быть значительно меньшей, чем полу
толщина профиля:
6«+.
(4.73)
Чем ближе величины толщины обшивки и полутолщины профиля, тем менее
рациональна конструкция (в пределе сплошной профиль).
В случае, коrда повышение толщины профиля крыла исключается из-за
условий кавитации на больших скоростях, а число стоек конструктивно
не может быть увеличено, можно допустить на наиболее напряженных участ
ках вставки крыла сплошноrо профиля (из поковок). Минималь ый MO
мент сопротивления сплошноrо cerMeHTHoro профиля (для верхнеи точки
дужки)
W 8 I
mln == Ьс .
105
(4.74)
Стойки (рис. 4.18, б) рассматривают для простоты расчета как балки
с жестко закрепленными концами. Боковые наrрузки qб в силу наличия
крыла следует принимать одинаковыми, а сжимающие Ri В соответст-
вии с расчетом реакции опор мноrопролетной балки несущеrо крыла.
С поrрешностью в безопасную сторону стойку можно считать консоль-
ной, заrруженной распределенной наrрузкой на части пролета. По макси-
мальному изrибающему моменту находят минимально необходимый момент.
сопротивления стойки в корневом сечении
М иэr
Wmln== . (4.75)
а доп
Напряжения сжатия в стойках
Ri
а
i Р/
(4.76)
"'-
не должны превышать Эйлерова напряжения с запасом устойчивости не
менее 2,5.
Эйлерово напряжение находят из равенства
2,04л: 2 Е!
аэ==
h TF
(4.77)
При конструировании стойки следует удовлетворить всем условиям,
выраженным равенствами (4.75), (4.76) и (4.77). При этом действующие рас-
четные напряжения от изrиба и сжатия в сумме не должны превысить а доп
В формуле (4.74). Элементы поперечноrо сечения стойки целесообразно pac
считать не только для KopHeBoro сечения и сечения у несущеrо крыла, но
и для одноrо- двух промежуточных сечений. Это создает уверенность в ра-
циональности конструкции стойки.
При уточнении конструкции крыльевоrо устройства следует иметь
в виду, что масса несущеrо крыла уменьшается с увеличением толщи ны про
184
филя. Однако из условий бескавитационноrо обтекания относительная тол
щина профиля должна сохраняться неизменной, и вслед за увеличением тол-
щины профиля должна расти хорда. Соответственно уменьшается размах
крыла для сохранения неизменной ero общей площади (подъемной силы).
Использовать этот путь нужно осторожно, так как с уменьшением относи-
тельноrо размаха крыла заметно ухудшаются ero rидродинамические каче-
ства, что приводит к увеличению мощности rлавных механизмов, их массы
и запасов топлива.
Массу несущеrо крыла можно уменьшить также, сокращая пролеты пу-
тем установки дополнительных стоек. Но это создает дополнительное сопро-
тивление, а кроме Toro, не приводит к общему снижению массы крыльевоrо
устройства.
Из сказанноrо видно, что конструирование крыльев является обще
проектной задачей и должно осуществляться совместно с конструирова-
нием остальных элементов судна при окончательном уточнении ero характе-
ристик.
Поскольку крылья воспринимают не только статические, но и динами-
ческие наrрузки, возникающие в реальных условиях MopcKoro волнения,
на более поздних стадиях проектирования производится проверка динами
ческой прочности крыла при ударах волн в стартовые элементы (или мало-
поrруженные несущие крылья) и при rармоническом изменении силы поддер
жания, обусловленном изменением заrлубления крыла, а также скосом по
тока из-за орбитальноrо движения частиц воды в волне.
Проверка динамической прочности тем более важна, что" частота сво..-
бодных колебаний крыльевых балок соизмерима с кажущеися частотои
волнения. На практике MorYT иметь место резонансные явления, что делает
возможным появление опасных напряжений, а также усталостных
явлений.
Методы проверки динамической прочности приведены в специальной
литературе [8, 17, 32].
26. Нормирование запасов прочности
Рационально спроектированной признается KOHCTPYK
ция, на 'которую израсходовано наименьшее количество материала и в ко-
торой при соответствующем принятому запасу прочности увеличении внеш-
них усилий напряжения не превзойдут опасных пределов.
Нормирование запасов прочности включает в себя:
назначение норм для опасных напряжений; _
назначение запасов прочности и норм для допускаемых напряжении.
Необходимость определения запасов прочности обусловлена недосто--
верным значением внешних сил. При нормировании запасов прочности учи
тываются:
характер действующих наrрузок, т. е. степень их случайности;
точность определения внешних сил;
механические свойства материала конструкции и тщательность из-
rотовления последней;
влияние на прочность технолоrии;
опыт постройки и эксплуатации аналоrичных судов;
срок службы судна;
последствия, связанные с нарушением прочности.
Опыт постройки И эксплуатации судов позволил сформулировать общие
принципы выбора опасных напряжений.
1. Для общих напряжений при постоянной неизменной по величине иа-
rрузке за опасное напряжение принимают:
для нормальных напряжений предел текучести материала (стали
и титановые сплавы) или долю предела текучести (алюминиевые сплавы),
в частности для сплавов AMr рекомендуется [24] принимать а о == 0,9 а о . 2
185
(<10 2 условный предел текучести алюминиевых сплавов, соответствующий
относительному удлинению 0,2%);
для касательных напряжений 0,57 соответствующих нормальных
опасных напряжений ('О 0,57 (10);
дЛЯ заклепочных соединениЙ при сдвиrе предел упруrоrо сколь
жения заклепки, зависящий от характера соединеиия;
для заклепочных соединений при растяжении заклепок предел
текучести материала заклепок;
для сварных швов опасные напряжения, исчисляемые от предела
текучести металла шва.
2. Для напряжений, имеющих переменный и знакопеременный характер,
за опасное напряжение принимается предел усталости OCHoBHoro материала,
а для конструкций предел усталости имеющихся в них сварных или за-
клепочных соединений.
З. для нормальных и KaCaTeJIbHbIX напряжений конструкций, которые
MoryT потерять устойчивость формы, за опасное напряжение принимается
критическое напряжение (Эйлерово с поправкой на изменение модуля нор-
мальНой упруrости).
Нормы для допускаемых напряжений реrламентируются классифика-
ционными обществами, например Реrистром РСФСР и Реrистром СССР,
[25, 24] или юридически cor ласованными временными доrоворами между
Таблица 4.8
Допускаемые нормапьные напряжения
Допускаемые
l'апряжеиия СПК
Наименование
коиструкцин
Характеристика расчетных
напряжений
морс-
ких
[24]
речиых [25]
ОТ а т I от а в
от а о
Продольные связи KOp
пуса
Напряжения от общеrо из
rиба при f!зибольшем расчет-
..НОМ I\зrибающем момснте
Напряжения от расчетных
наrрузок на волнении:
симметричных относитель-
но ДП
несиыметричных (наличие
крепа)
Напряжения от расчетных
наrрузок на волиении:
симметричных относитель
но ДП
неСI 1 ммt'ТРИЧ 1 'ЫХ
Напряжения от расчетных
наrрузок в условиях волне-
ния (момент выхода судна на
крыло)
0,35 0,25
0,50
Несущие
крыльев
элементы
1,0 0,55
0,65
(),9
СтоАки крыльев
0,8
0,45
0,65
0,90
0,90
J ,О
0,55
Закрылки,
элементы
стартовые
I
I
заказчиком и проектантом. Нормы допускаемых нормальных напряжеиий
приведены в табл. 4.8. Кроме Toro, необходимо учитывать следующее:
допускаемые касательные напряжения Т д прииимают равными 0,57
соответствующих допускаемых нормальных напряжений;
186
устойчивость изолированно работающих конструкций (пиллерсы,
стойки крыла, раскосы и т. п.) должна вдвое превышать расчетиые HopMaJlЬ
иые напряжения в этоЙ конструкции;
допускаемые напряжения на динамические наrрузки следует прини-
мать в долях (примерно 0,4 0,6) от предела усталости материала при числе
циклов N ц 107.
Способы нормирования запасов прочности постоянно совершенствуются,
изучаются свойства и особенности конструкционных материалов, применяе-
мых дЛЯ СПК [26, 27]. Совершенствуется также методо. оrия подхода к изу
чению проблемы нормирования. В последние rодЫ исследователи все боль-
шее внимание уделяют вероятностным методам, позволяющим на фоне слу-
чайных наслоениЙ выявить закономерности, лежащие в основе явления.
Перспективным представляется предложение Б. П. Кузовенкова [27,
с. 40 45] о выявлении фактических запасов прочности корпусных конструк-
ций, изrотовляемых из алюминиевых сплавов с различными прочностными
характеристиками. Определяя коэффициент запаса прочности хотношением
математических ожиданий предельной прочности m r и паrрузки m q , запишем
mr
"'== ,
m q
r(4.78)
в зависимости от вероятности разрушения Р р можно иайти
1+ 11 1'2(A +Aп 1'4A A
1 1' 2 А;
l(оэффициенты изменчивости наrрузки (деЙствующих напряжеиий) Aq н
предельноЙ прочности (разрушающих напряжеиий) Ar определяются зиа-
чениями квадратичных отклонений <1q и <1r математических ожиданий m q
н m r соответствующих величин по формулам
х==
(4.79)
А <1q Ar .!!!..... .
q== ;
mq m r
l(оэффициент l' иосит название характеристики безопасностн и связан с ве-
роятностью разрушения
(4.80)
J
Рр== Ф (1'),
2
(4.81)
rде Ф (1') функция Лапласа.
Величина Aq может быть определена по принятому в практике проекти
ро ания методу установления допустимоrо уровня наrруженности KOHCTPYK
ции. В настоящее время считается, что максимальные деЙствующие напря-
жения в условиях волнения имеют место при 0,5% -ноЙ обеспеченности. При
этом они не должны превышать напряжений на тихой воде более чем вдвое.
Учитывая, что допускаемые напряжения принимаются (для общеrо изrиба)
равными Половине опасных, и считая закон распределения нормальяым,
можно получить
mq == О,25<1 0п ;
U q == О,()97<1 0п ;
Aq == 0,388.
Эти величины MorYT несколько измениться при накоплении достаточноrо
статистическоrо материала по напряженному состоянию корпусов СПК в yc
ловиях эксплуатации.
Величины m r , <1r И Ar MorYT быть получены на основе статистической
обработки имеющихсЯ данных по предельноЙ прочности в процессе испыта
187
ний опытных конструкций. В зависимости от стабильности механических
свойств материала, ero отработанности квадратичное отклонение xapaKTe
ристик прочности от математическоrо ожидания может быть небольшим
и коэффициент изменчивости Ar может оказаться меньше, чем у более проч
Horo, но технолоrически недоработанноrо материала с большим разбросом
характеристик. Соrласно формуле (4.79) при уменьшении Ar коэффициент
запаса прочности уменьшается. При равных вероятностях разрушений мо-
жет оказаться, что допускаемые напряжения для менее прочноrо, но TeXHO
лоrически отработанноrо материала MorYT быть повышены, а следовательно
получена экономия массы материала корпуса.
Изложенный подход к выбору типа материала и нормированию запаса
прочности позволяет с высокой надежностью сделать заключение о предпоч
тительности Toro или иноrо конструкционноrо материала и определить MO
мент перехода на новый материал.
Часть 11
ПРОЕНТИРОВАНИЕ
СУДОВ
НА ВОЗДУШНОЙ
ПОДУШНЕ
)
ОСНОВНЫЕ
УСЛОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
А автономность
а коэффициенты
В ширина корпуса
Ввп ширина воздушной по
душки
В М . К ширина металлическо-
ro корпуса
В СК ширина cKera
Ь О ширина «пятки» cKera
Сч составляющие коэф-
фициента полноrо со-
противления
D .:..... диаметр винта или pa
бочеrо колеса HarHeTa
теля
.d диаметр втулки HarHe-
тателя или
. диаметр втулки винта
Е модуль нормальной
упруrости материала
F пр площадь продольных
связей корпуса
G полное водоизмещение
(масса) СВП
g ускорение силы тяже
сти
go ускорение от удара
gтп удельный расход
топлива
Н высота корпуса
В:т высота корпуса иа ми
дель шпанrоуте
ИСК высота cKera
h высота зазора в свету
h B высота висения над
водой
h вп высота висения иад
впадиной
h ro высота rибких оrраж-
дений
hCK отстояние cKera от
опорной поверхности
h э высота висения над
. жестким экраном (pac
стояние от жесткоrо
экрана до днища)
hw высота волны
Jz момент инерции массы
СВП относительно по-
перечной оси, прохо-
дящей через центр
масс
К, k коэффициенты
L длина корпуса
L B » судна по BaTep
линии
L вп длина воздушной по
душки
L M . К длина металлическоrо
корпуса
L пр приведенная длнна
L CK длина cKera по Ba
терлинии
Li м длина моделн
, lr. р периметр поперечноrо
сечения rибкоrо ресн-
вера
{К. м плечо BeTpoBoro кре-
нящеrо момента
lп плечо от основной пло
скости до центра пло-
щади парусности
191
lр расстояние от основ-
ной плоскости до
точки приложения бо
ковой силы на рул ях
М изrибающий момент
М кр кренящий момент
Мха момент веса
Мв восстанавливающий
момент крена
т масштаб модели
N мощность двиrателя
N aT потери мощНОСТИ на
изменение атмосфер-
ных условий по cpaB
нению со CTaHдapT
ными
N BOA потери мощНОСТИ на
просасывание воздуха
для rлавных двиrате
лей через ВОДООТдели-
тели
N Bn мощность, затрачивае
мая на подъем
N дв МОЩНОСТЬ, необходи
мая для движения
N ДlI длительная мощность
энерrетической уста-
новки
N oт мощность, отбираемая
от двиrател я, напри-
мер, на обоrрев по
мещений или BOДOOT
делителей
N n полная мощность энер-
rетической установки
N n . о количество подвижных
оrраждений
N np мощность, отбираемая
от трансмиссии для
привода различных
механизмов
N Tp потери мощности в
трансмиссии
N yeT установленная мощ-
ность
n частота вращения
п паее , nэк численность пассажи
ров, экипажа COOT
ветственно
Р сила поддержания
СВП
Р пр продольная реактив
ная сила
Р, различные составляю-
щие весовой наrрузки
СВП
р давление за HarHeTa
телем; полный напор
Рвп давление в воздушной
подушке
192
рвп м давление в воздушной
подушке модели
Рвп i давление в i-й секции
воздушной подушки
рр давление в ресивере
Q, QM объемный расход воз-
духа, поступающеrо
в воздушную по-
душку, дЛЯ СВП и
для модели соответст-
венно
9 == 0,5 pv 2 скоростной
напор
R дальность плавания;
радиус винта, рабо-
чеrо колеса HarHeTa
теля
Rw сила удара волны
, радиус кривизны обо
лочки rибкоrо оrраж
дения, втулки винта,
наrнетателя
Sб площадь парусности
Sвп }} воздушной по-
душки
SH' SK площадЬ истечения
воздуха из-под HOCO
Boro и из-под кормо-
Boro подвижноrо or-
раждения COOTBeTCT
венно
SH. к площадЬ навесных
конструкций в плане
SHi площадь i-й насадкИ
Spt » i-ro руля
SeM }} смоченной по-
верхности cKeroB
SCMO площадь смоченной
поверхности cKeroB
в режиме висения
Sеч площадь i-ro стабилн-
затора
Sj площадь !-и секции
воздушной подушки
S:!!! площадь МИдель-шпан
royTa .
S:!!! площадь мидель шпАн
м royTa модели
т осадка
Т зап запас осадки CKera
Тек осадка CKera
То статическая тяrа
Тl температура rаза пе-
ред турбиной
Тз температура на входе
в компрессор
V скорость длительноrо
полноrо хода СВП
V H скорость судна при
нормальном водоиз
мещении СВП
Vраеч расчетная скорость
СВП
V S средняя рейсовая CKO
рость СВП
Vy вертикальная ско-
рость СВП
VYK вертикальная CKO
рость СВП относи
тельно поверхности
волны
V B скорость ветра
V M }} модели
V rll ; V rK скорость истечения
воздуха из воздушной
подушки в нос и в
корму соответственно
v Ув вертикальная CKO
рость перемещения
вол новой повер хно-
сти
W К объем корпуса
W o . к »OCHoBHoro KOp
пуса
W eK объем cKeroB
Wa аксиальная скорость,
вызванная в струе
винта
W a аксиальная скорость,
вызванная задНИМ вин-
том в диске переднеrо
W a аксиальная скорость,
вызванная передним
'винтом в диске зад-
Hero
W H объем надстройки
WII j }} i-ro яруса Haд
стройки
W p объем рубки
х' абсцисса центр а тяже
сти i-й секции воз-
душной подушки
Xw длина волны
У' ордината центра тя-
жести ПЛощадИ i-й
секции воздушной по
душки
УК расстояние между Ha
ружной и внутренней
линиями крепления
rибкоrо оrраждения
к корпусу по верти
кали
ZK расстояние между ли
ниями крепления rиб-
Koro оrраждения по
rоризонтали
7 Заказ N! 1856
Znp аппликата продоль
ной реактивной силы
Zg аппликата центра тя-
жести СВП
Xj, Yj, Zj составляющие сил по
координатным осям
!Х В == Хв/О уrол волно
Boro склона; средний
уrол наклона волновой
поверхности к rори-
зонту ПОд дейсТвием
системы перемещаю-
щеrося давлеиия в
воздушной подушке
!Х В тах наибольший уrол вол
HOBoro склона
!хек коэффициент полноты
площади ватерлинии
cKera
уrол дрейфа
eK средний уrол внеш
ней килеватости cKera
'\' удельный вес воды
'\'м удельный вес мате-
риала корпуса
б р уrол перекладки py
ля
коэффициент качества
винта
1']в кпд воздухонаrнета
теля
1']дв кпд движителя
1']' идеальный кпд вин
та
е уrол крена
'ф уrол дифферента
i. удлинение жесткоrо
корпуса
Л вп == L вп / Ввп удлинение
воздушной подушки
л w длина волны
"а коэффициент кине-
матической вязкости
воздуха
"r коэффициент кине
матической вязкости
воды
6 остаточное сопротив-
ление движению СВП
6 коэффициент тревия
cKeroB
Ра массовая плотность
воздуха
Pr массовая плотность
воды
РУ радиус инерции СВП
(] поперечные напряже
ния в rибком оrраж-
дении
193
<УОП опасное напряжение
<Jрасч допускаемое расчет-
ное напряжение
<УТ предел текучести
<Ур коэффициент наrрузки
по упору
ер уrол наклона струи,
образующей rибкое
оrраждение, к rори
зонту
'" уrол дифферента
"'О равновесный уrол
Шу уrловая скорость
рыскания
W z уrловая скорость из
менения дифферента
"'Н, "'к. "'ек коэффициенты суже
ния струи при исте-
чении воздуха из под
HocoBoro подвижноrо
оrраждения, из под
KopMoBoro ПОДвижноrо
оrраждения и из-под
cKera соответственно
Раздел
основы
ОБщеrо ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СВП
rn8B8 1.
ПРО&ЛЕМЫ СОЗДАНИЯ СВП
Идея создания воздушной «подушки» для подъема KOp
пуса судна над поверхностью воды возникла MHoro десятилетий тому назад.
однако техническое воплощение она получила лишь в предвоенные rоды.
В 1937 1940 п. в нашей стране коллективом специалистов под PYKOBOДCT
ВОМ проф. В. И. Левкова были созданы амфибийные катера на воздушной
подушке нескольких типов с отличными ходовыми качествами на тихой воде.
Так, катер Л 9 водоизмещением 14 т достиrал скорости 73 уз. Однако море-
ходность катеров проф. В. И. Левкова была еще весьма оrраниченной.
После Великой Отечественной войны rруппа проф. В. И. Левкова про-
должила работы над совершенствованием катеров на воздушной подушке.
однако возможности двиrателестроения в те rоДЫ не позволили создать море-
ходные СВП с необходимыми характеристиками.
В конце 50 x rодов в Великобритании были начаты интенсивные иссле-
дования, связанные с созданием судов на воздушноЙ подушке. На первом
этапе исслеДовались СВП так называемой сопловой схемы (изобретение
l(оккерела). В короткие сроки анrличанам удалось построить и испытать
опытные катера SR N 1, SR N2, SR N3 водоизмещением от 4 до 37 т. Были про
ведены экспериментальные работы, позволившие приступить к проектиро-
ванию и строительству сначала небольших амфибийных катеров на воздуш-
ной подушке SR N5 и SR N6 водоизмещением 6,8 и 9,25 т, рассчитанных на
перевозку 20 и 38 пассажиров соответственно, а затем и паромов SR N4
(254 пассажира, 32 автомобиля).
В 60-х rодах исследования, связанные с созданием судов на воздушноА
подушке, уже вели в нескольких странах. В ряде стран были созданы и про-
шли всесторонние испытания КВП корабли на воздушной подушке. США
использовали катера на воздушной подушке SK5 во время войны во Вьетнаме.
В настоящее время корабли и катера на воздушной подушке входят в состав
вооруженных сил Анrлии, США, Японии и друrих стран.
Известны два принципиально отличных типа судов на воздушной по-
душке:
амфибийные, корпус которых при движении может полностью отры-
ваться от воды (СВПА);
неамфибийные, или CKerOBbIe, с неполным отрывом корпуса от воды
и жесткими бортовыми оrраждениями скеrами (СВПС).
Амфибийные СВП (СВПА) имеют rибкое оrраждение зоны воздушной
подушки по всему периметру, способны выходить на береr, преодолевать
7*
195
,
препятствия, двиrаться над участками суши, надо льдом. Скорость движения
СВПА может достиrать 70 90 уз. Движителями этих судов служат воздуш-
ные винты. Амфибийные СВП по архитектуре мало похожи на обычные суда
водоизмещающеrо или rлиссирующеrо типа.
CKeroBbie СВП (СВПС) по архитектуре, принципам общеrо расположе-
ния, энерrетическим установкам, устройствам управления, движителям
близки к обычным водоизмещающим судам.
Амфибийные пассажирские СВП получили широкое признание. В по
следние rоды свыше 30% пассажиров, пересекающих Ла-Манш, пользуются
автомобильно пассажирскими паромами SR N4. На линиях, связывающих
анrлийские порты Дувр и Рамсrейт с французскими портами Кале и Бу-
лонь, реrулярно курсируют пять паромов SR N4 (1,5 млн. пассажиров и
свыше 200 тыс. автомобилей в rод). СВП успешно конкурируют с водоизме-
щающими тихоходными паромами. Довольно успешная эксплуатация пас
сажирских судов SR N6 на коротких морских линиях побудила анrличан
искать пути совершенствования СВП, повышения их пассажировместимости,
мореходности, надежности, рентабельности.
Наиболее простым оказался путь создания модификаций первых образ
цов. В результате проектНЫХ и экспериментальных исследований на основе
проекта SRN6 Мк. 1, в 1973 r. были созданы СВП SRN6 Мк. 6 водоизмеще-
нием 15,9 т и пассажировместимостью 58 чел. На основе проекта SR N4 Мк. 1
создана модификация SR N4 Мк. 2 водоизмещением 200 т, рассчитанная на
перевозку 282 пассажиров и 37 автомобилей. Третья модификация судно
SR N4 Мк 3 водоизмещением 300 т (400 пассажиров и 59 автомобилей) ero
корпус удлинен на 43%, мощность энерrетической установ и увели'чена
на 12%.
Параллельно с совершенствованием пассажирских СВП в Анrлии Be
ду:: широкие работы по созданию амфибийных военных кораблей на воздуш
нои подушке. На основе проекта SR N5 и SR N6 созданы варианты десантных
и патрульных катеров. Серийно строят КВП BH 7 в вариантах ракетном,
патрульном, десантном.
Страны НАТО особое внимание уделяют использованию КВП в качестве
противоминных кораблей. Утверждается, что преимуществами противомин
ных КВП по сравнению с обычными тральщиками являются более высокая
стойкость к подводному взрыву, низкий уровень акустическоrо поля, высо-
кая скорость на переходе и сравнительно более простые условия обслужи
вания в связи с возможностью выхода на береr. В Анrлии разработаны ко-
рабли ПМО в двух вариантах: носители обычных тралов (ВН-7 Мк. 5А) и
тральщики-искатели (SR N4 Мк. 4).
Амфибийные СВП строят в Анrлии также фирмы «Воспер Торникрофт»
(СВП УТ-l, YT 2) и «Энфилд Мэрин». В США все работы по амфибийным
КВП ведут только по заказам министерства обороны. В 1965 r. была принята
проrрамма создания системы быстроходных амфибийных десантно высадоч
ных средств дЛЯ ВМС США (проrрамма AALC). После всесторонних военно-
экономических исследований было признано, что требованиям к COBpeMeH
ным десантно высадочным средствам в наибольшей степени отвечают катера
на воздушной подушке амфибийноrо типа.
Двум конкурирующим фирмам было поручено создание двух опытных
катеров. В 1977 r. эти катера с условными обозначениями Джефф (А) и
Джефф (Б) были построены. Водоизмещение катеров 157 и J 50 т, rрузоподъем ,
ность 54,4 т, скорость 50 уз, дальность плавания 200 миль. После срав-
нительных испытаний катеров будет выбран наилучший вариант для серий-
Horo строительства.
Значительные работы по созданию амфибийных СВП проводят во Фран-
ции. С 1968 r. строят 27 TOHHыe пассажирские СВП N 300 для внутренних
линий. В 1971 r. был а начата постройка двух 250 TOHHЫX автомобильно-
пассажирских паромов «Нэвиплан» N 500, предназначенных для рейсов
в Средиземном море и на линии Булонь Дувр. Первое судно было завер
шено постройкой в апреле 1977 r., но в период испытаний на СВП в цехе за-
вода возник пожар, судно сrорело. Второе судно было завершено строительст-
196
вом В конце 1977 r. СВП «Нэвиплан» рассчитано на перевозку 200 пассажи-
ров и 60 автомобилей.
Более чем десятилетний опыт эксплуатации амфибийных СВП показал,
что эти новые скоростные суда удобны, надежны, рентабельны при перевоз-
ках пассажиров, автомашин и rрузов на речных, прибрежных и коротких
морских линиях.
Корабли и катера на воздушной подушке амфибийноrо типа нашли ши-
рокое применение и для военных целей. Получили подтверждение преиму-
щества десантных и десантно высадочных кораблей на воздушной подушке,
определенные результаты получены при исследовании противоминных воз-
можностей КВП, нашли применение патрульные и ракетные КВП.
С, т
10000
5000
10
5
i.-
.............. .
,
.....,......,
....
/
/'
/'.,... L---
у'
I
/ .
1/-' е. :.
, :
j. о о
"/0. о :
,
.
,
1000
500
100
50
.
.....
11900
.
. ..
19'tO
rO{}bI
Рис. 1.1. Тенденции увеличения водоизмещения судов на воздуш-
ной подушке
1920
1860
1880
В ряде стран ведутся разнообразные исследования, связанные с даль
нейшим совершенствованием СВП и их перспективным развитием. Анализ
этих исследований позволяет увидеть следующие основные тенденции в раз-
витии СВП амфибийноrо типа.
Водоизмещение СВП (рис. 1.1) возрастает, что обусловлено в первую
очередь стремлением создавать более вместительные суда, отвечающие тре-
бованиям массовых перевозок на особенно напряженных линиях. Рост во-
доизмещения достиrается в ряде случаев (SR N4, SR N6) при создании новых
модификаций судов в результате их существенноrо (до 43%) удлинения.
Создаются и новые типы СВП сравнительно большоrо водоизмещения.
Скорость амфибийных СВП на тихой воде и при безветрии уже сейчас
достиrает 65 70 уз, хотя эксплуатационная скорость находится в пределах
40 45 уз.
Технически возможно повышение скорости судна на тихой воде до
80 90 уз в результате совершенствовани я конструкции rибких оrраждений,
формы корпуса, повышения энерrовооруженности СВП.
Мореходность СВП постоянно повышается. Если дЛЯ SR N4 Мк. 1 пре-
дельно допустимым считал ось состояние моря 4 5 баллов (высота значи-
тельных волн h 14 % 0== 2,7 м, скорость ветра 16 м/с) и при этом скорость СВП
падала до 28 уз, то ожидается, что SR N4 Мк. 3 при тех же условиях будет
развивать скорость до 40 уз, а скорость 28 уз будет достиrаться при высоте
волн h 14 % 0== 3,6 м (рис. 1.2).
И все же обеспечение мореходности наиболее сложная научно тех
ническая проблема совершенствования СВП. Снижение скорости судна на
197
.
h l ",/..H
'r,0
J,5
3,0
2,5
SRN4HK.1
Рис. 1.2. Мореходность СВП SR N4
(зависимость скорости судна от
интенсивности волнения)
1 I 1 варианты
2,0
1,5
О 10 20 JO
50 60
и,уз
120
t--
.........
с.;
80
.Q
Е:=
t.>
'"
:>;
БО
<::t
'"
.:g, 4 О
'"
'"
20
а
1970
Ш86
{ады
197'1-
1978
1966
1982
1962
Рдс. 1.3. Уменьшение энерrовооруженности анrлийских СВП
в процессе их развития
волнении, большие размахи килевой и вертикальной качки, значительные
вертикальные переrрузки снижают эффективность СВП. В настоящее время
основные пути повышения мореходности СВП совершенствование rибких
оrраждений и введение систем автоматическоrо реrулирования давлени
в секциях воздушной подушки и в камерах rибкоrо оrраждения.
Энерrовооруженность СВП, характеризуемая отношением полной мощ
ности энерrетической установки к полному водоизмещению, постепенно сни-
жается. Как видно из рис. 1.3, энерrовооруженность анrлийских СВП снн-
зил ась с 90 100 л. с./т на первых катерах до 50 л. с./т на последних модифи-
кациях SR N4 и ВН-7.
В энерrетических YCTa
новках амфибийных СВП на-
ходят прнменение только rазо
турбинныедвиrатели (за исклю-
чением опытных или любитель-
ских СВП, rде MorYT приме-
няться карбюраторные двиrа
тели). Единичная мощность
этих двиrателей постоянно
растет (рис. 1.4).
Особенности условий ра-
боты энерrетических установок
СВП (интенсивное забрызrива
ние) не позвол яют использо-
вать в качестве двиrате.лей
обычные авиационные [Т д.
Авиационные двиrатели тре-
буют «маринизации», дopa
ботки, в частности замены
материала ряда деталей, спе
циальной их обработки и вве-
дения антикоррозионных по-
крытий. В перспективе, ви-
димо, будет продолжаться со-
здание двиrателей дЛЯ СВП в
морском исполнении путем
конвертировани,Я серийных Рис. 1.4. Тенденции роста аrреrатной
авиационных двиrателей, а мощиости rлавных двиrателей СВП
СВП большоrо водоизмещения
получат корабельиые rазовые
турбины. Важнейшим направлением овершенствования [Т Д дЛЯ СВП будет
повышение их экономичности.
Интенсивное забрызrивание СВП при разбеrе и движении на волне-
нии приводит, как правило, к засолению двиrателей и быстрому ухудше-
нию параметров их работы. Для борьбы с засолением необходимо
обеспечивать очистку поступающеrо в двиrатель воздуха, для чеrо на
СВП устанавливаются специальные системы сепарации. Совершенствование
систем сепарации важная техническая проблема.
Новые технические проблемы предстоит решить и при создании воз
душных винтов БОЛhШОЙ мощности. В отличие от самолетных винты дЛЯ СВП
должны обеспечивать сравнительно малые скорости движения судна и боль-
шую тяrу при преодолении «rорба» сопротивления. Винты должны быть ре-
версивными и приспособленными к работе в условиях интенсивноrо забрыз-
rивания.
Мощность единичных винтов и винтовых комплексов возрастает, изу-
чается возможность увеличения диаметра винтов (на SR N4 Мк. 3 диаметр
винтов достиr 6,4 м), повышения их КПД, большое внимание уделяется ис-
следованиям комплекса винт насадка, имеющеrо определенные преимуще-
ства при скоростях движения, характерных дЛЯ СВП. Особое внимание уде-
ляется снижению уровня шума винтов.
1
,
N,Л.с.
1000000
500000
100000
50000
10000
5000
1000
500
/
/
/.
/
:
.
. ..
. . .
.
100
50
: .-
.. .
1900
1950
[оаы
2000
199
Самостоятельной научио-техннческой проблемой является совершенст-
вование конструкции и материала rибких оrраждений СВП. rибкие оrраж
дения обеспечивают мореходНость СВП, их остойчнвость, амфибнйность,
ходовые качества и в конечном итоrе надежность и безопасность эксплуа
тации СВП. В конструировании rибких оrраждений достиrнуты большие
успехи, однако поиск новых конструктивных решений и создание более
прочных и износоустоичивых материалов продолжаются.
Важнейшая проблема повышение надежности и безопасности плава-
ния СВП. Аварии СВП и даже случаи их опрокидывания лишь подчеркивают
необходимость усиления внимания к вопросам безопасности их эксплуата
ции. Есть все технические предпосылки для создания потенциально безо-
пасных СВП, соответствующих заданным условиям эксплуатации.
К основным мероприятиям, обеспечивающим безопасность эксплуатации
перспективных СВП, можно отнести:
повышение мореходности и, в частности, улучшение управляемости;
конструктивные мероприятия, обеспечивающие предотвращение пожара
и эффективную борьбу с ним;
применение неrорючих материалов и исключение материалов, выделяю-
щих отравляющие вещества при rорении;
обеспечение эвакуации пассажиров при авариях;
повышение надежности энерrетической установки и систем управления,
в том числе в результате резервирования arperaToB и систем (реализация
прннципа безопасности отказа).
Зона использования СВП постоянно расширяется. Ведутся исследования
возможности использования СВП в Арктике и круrлоrодичной эксплуата-
цИИ СВП в бассейнах замерзающих рек и озер. Работы в этом иаправлении
особенно интенсивно проводятся в Канаде и США.
Конструирование cKeroBbIx СВП, как и амфибийных, началось в 60-х
rодах, но развивалось медленнее. Первые образцы пассажирских cKeroBbIx
СВП, созданные в Великобритании и эксплуатировавшиеся в 1962 1963 П.,
оказались неудачными. В 1967 1968 [[. были построены 20 TOHHыe суда
НМ. 2, рассчитанные на перевозку по речным линиям 60 65 пассажиров
со скоростью 55 65 км/ч.
В 1979 r. в Великобритании была завершена постройка пассажирскоrо
парома НМ. 5 с корпусом из стеклопластика водоизмещением 73 т, рассчитан-
Horo на 200 пассажиров. Скорость парома 65 75 км/ч.
Несколько типов cKeroBbIx пассажирских СВП дЛЯ речных и прибреж
ных линий было создано за последние rоды в нашей стране. Суда типа «Зар-
НИца» (водоизмещение 14 т, 48 пассажиров, скорость 36 км/ч) и типа «Орион»
(35 т, 80 пассажиров, 53 км/ч) успешно эксплуатируются, осваивается МlJlJ
ское СВП «Чайка» (45 т, 80 пассажиров).
В США изучение перспектив развития СВП и КВП cKeroBoro типа
проводил ось сначала по единой проrрамме ВМС и министерства ТорrовЛИ.
Однако в последние rодЫ проrрамма была нацелена только на создание ко-
раблей BoeHHoro назначения. Проектные исследования показали, что реально
создание в ближайшей перспективе СВП водоизмещением 2000 3000 т, а
в дальнейшем возможно увеличение водоизмещения до 5000 10 000 т.
Для экспериментальной проверки основных инженерных решений в
1971 r. по заказу ВМС США двумя конкурирующими фирмами были
построены опытные СВП SES-100A и SES 100B водоизмещением 100 т, раз
личные по архитектурной компоновке, эу, типу движителя.
На СВП SES 100А энерrетическая установка состоит из четырех rаз,о-
вых турбин мощностью по 3400 л. с., соединенных системой трансмиссий с
двумя двухступенчатыми водометными движителями и тремя осевыми HarHe
тателями.
Энерrетическая установка SES-100B состоит из трех морских rазовых
турбин мощностью по 4200 л. с., соединенных через систему передач с двумя
полупоrруженными суперкавитирующими rребными винтами реrулируемоrо
шаrа, и трех rазовых турбин мощностью по 620 л. с., приводящих систему
наrнетателей воздуха.
200
Испытания опытных СВП, проводившиеся в течение трех лет, подтвердили
хорошие ходовые качества и мореходность катеров. Катер SES 100A при
движении на волнении с высотой волн до 3 м развивал скорость до 85 км/ч,
а SES 100B на тихой воде достиrал скорости 167 км/ч.
В ходе испытаний были получены все экспериментальные данные, He
обходимые для проектирования и строительства КВП большоrо водоизмеще
ния. Было принято решение о создании опытноrо КВП 2KSES водоизмеще-
нием 2000 2200 т. В 1976 r. министерство обороны США перенацелило про
rpaMMY работ по крупным океанским КВП на создание корабля прототипа
водоизмещением 3000 т (проrрамма LSES). Были выданы соответствующие
заказы, однако в конце 1977 r. при проводимом министерством обороны со-
кращении «проrрамм с высокой степенью риска» проrрамма LSES была
прекращена, хотя расходы к тому времени превысили 300 млн. долларов
(при стоимости всей проrраммы 705 млн. долларов).
В качестве причин, побудивших принять решение о прекращении ра-
бот по созданию КВП водоизмещением 3000 т, приводились следующие со-
ображения:
прн существующей энерrетике не представляется возможным создать
КВП с дальностью хода, отвечающей требованиям ВМС к кораблям TaKoro
водоизмещения;
КВП с корпусом из алюминиевых сплавов обладают недостаточной жи-
вучестью и пожаробезопасностью (при этом делал ась ссылка на rибель фран
цузскоrо СВП N 500 в результате пожара);
экономические затраты на строительство КВП водоизмещением 3000 т
не компенсируются теми тактическими преимуществами, которыми будет
обладать КВП.
Трудно судить, является ли прекращение проrраммы LSES временным
или в США убедились в нецелесообразности развития этоrо направления.
Очевидно только, что весь комплекс теоретических, экспериментальных и
проектно конструкторских работ подтвердил техническую возможность соз-
дания на основе современной техники СВП cKeroBoro типа водоизмещением
до 3000 т.
В целом в развитии cKeroBbIx СВП следует отметить следующие тен-
денции:
технические возможности роста водоизмещения cKeroBbIx СВП значи-
тельно превышают возможности амфибийных СВП;
если для водоизмещения амфибийных СВП технический предел в бли
жайшие 10 15 лет не превысит 500 600 т, то на этот период реально rOBo-
рить о cKeroBbIx СВП водоизмещением 3000 5000 т.
Недостатком больших cKeroBbIx СВП с rазотурбинными установками
является оrраниченная дальность плавания. Новые возможности для разви
тия океанских СВП может открыть атомная энерrетика. В США изучается
возможность использования дЛЯ СВП атомной энерrетики в связи с исследо-
ванием ее применения в авиации.
Для СВП большоrо водоизмещения наиболее перспективны водометные
движители, так как размещение на таких судах большоrо числа кавитирую-
щих rребных винтов затруднительно. В настоящее время уже созданы BO
дометы мощностью 25 30 тыс. л. с. Создание водометных движителей мощ
ностью 40 50 тыс. л. c. сложная, но разрешимая научно техническая
проблема.
Скорость крупных cKeroBbIx СВП при рациональной энерrовооружен
ности (40 60 л. с./т) может достиrать 90 120 км/ч.
Мореходность СВП будет возрастать при увеличенни их водоизмещения.
СВП водоизмещением более 3000 т будут иметь практически неоrраниченную
мореходность.
Перспективы развития cKeroBbIx СВП большоrо Водоизмещения в зна-
чительной степени зависят от возможностей создания новых леrких KOH
СТрукционных материалов. Современные алюминиевые сплавы не в полной
мере отвечают требованиям к материалам дЛЯ СВП: их прочностные xapaKTe
ристики и оrнестойкость недостаточно высоки.
201
rn8B8 11. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ОБЩЕrо ПРОЕКТИРОВАНИЯ
свп
i 1. Методопоrические основы проеКТИрОВ8НИЯ
свп
Создание судна на воздушной подушке сложный и
длительный динамический процесс, основные этапы KOToporo проектиrо
вание, строительство и испытания СВП. Под проектированием судна, в том
числе и СВП, принято понимать процесс разработки технической докумен-
тации, определяющей основные элементы и характеристики судна, ero архи
тектуру, принципы общеrо расположения, конструкцию отдельных узлов
и arperaToB.
Предельно лаконичную формулировку конечной цели проектированиа
дал русский кораблестроитель И. [. Бубнов: «Задача проектирования судна
заключается в составлении таких чертежей ero, чтобы построенное по ним
судно удовлетворяло всем заданиям, положенным в основу составляемоrо
проекта . . .» По этой формулировке предполаrается, что задание на проек-
тирование, раскрывающее назначение судна и условия ero эксплуатации,
разрабатывает заказчик. Он же формулирует спецнальные требования к
судну.
Практически же в наше время далеко не всеrда в задании с достаточной
полнотой излаrаются все требования к судну. Обычно требования задания
оrраничивают я формулировкой назначения судна или даже системы судов,
указанием раиона использования и характера перевозимоrо rруза. В этих
условиях задача проектирования существенно расширяется: проект должен
содержать подробное технико экономическое обоснование типа судна (или
ряда судов) и ero основных элементов с экономическим анализом Bcero пе
риода эксплуатации системы судов.
Вообще характерная особенность cOBpeMeHHoro проектирования CYДOB
возрастание значения технико экономическоrо анализа и внедрение методов
поиска наилучших (оптимальных) решений, ПОЗВGЛЯЮЩИХ оценивать эффек
тивность судна в системе соответствующих транспортных средств.
Проектирование судов из чисто техническоrо процесса превратилось
в процесс технико экономический. Уместно в связи с этим напомнить слова
известноrо конструктора самолетов О. К. Антонова: «Характерная особен-
ность техники сеrодняшнеrо дня ее максимальная оптимизация, т. е.
достижение максимальноrо результата при минимуме затрат». Технико
экономические обоснования СВП начинают на самых ранних стадиях проек
тирования на основе анализа распределения rрузо и пассажиропотоков и
проrнозирования роста объема пассажирских и rрузовых перевозок.
Достаточно подробно вопросы формирования функции общественной
полезности судна изложены в rл. II ч. 1 книrн при рассмотрении СПк. С не-
значительными поправками эти положения MorYT быть использованы при
рассмотрении СВП.
Процесс проектирования СВП включает, как праБИЛО, четыре этапа:
исследовательское или предэскизное проектирование на стадии выра-
ботки концепции судна и обоснования ero места в системе транспортных
средств; ,
эскизное проектирование;
техническое проектирование;
разработка рабочих чертежей.
Методически стадии проектирования СВП не отличаются существенно
от стадий, принятых при проектировании обычных водоизмещающих судов,
однако качественной особенностью разработки проектсв СВП является He
обходимость проведения большоrо комплекса экспериментально исследова
202
тельских ра?от, особенно модельных испытаний, для обоснования инженер-
ных решенни на всех стадиях проектирования.
Отметим еще одну особенность проектирования СВП. Проектирование
обычных судов и самолетов основано на опыте, накопленном в течение мно-
rих десятилетий в различных областях науки и техники, и на длительной
ннженерной практике проектирования, конструирования и постройки со-
тен типов судов и летательных аппаратов. Практика проектирования СВП
во всем мире оrраничивается созданием в лучшем случае нескольких десят-
ков типов судов, а теория проектирования СВП находится на самых началь
ных стадиях развития.
Особое значение при проектировании СВП имеют ero первые этапы
исследовательское и эскизное проектирование. Опыт показывает, что более
90% всех принципиальных технических решений принимают именно на на-
чальных стадиях проектирования. К началу разработки техническоrо про-
екта, как правило, уже обоснован наилучший вариант СВП, определена ero
архитектура, выбран состав энерrетической установки, выполнены основные
технико-экономические расчеты. Следующие стадии проектирования позво-
ляют уточнить и детализировать проект и разработать полный комплект до-
кументации, но rлавные вопросы проекта при этом не пересматриваются.
Основные элементы СВП в начальных стадиях исследовательскоrо про
ектирования целесообразно определять в двух-трех приближениях.
В первом приближении определяют варианты проекта, подлежащие
исследованию. Для каждоrо варианта выполняют расчет так называемых
независимых масс, а затем на основании статистическихданных о СВП опреде
ляют для каждоrо варианта водоизмещение, rлавные размерения, мощность
энерrетической установки. На этой же стадии обосновывают выбор архнтек-
TypHoro типа, разрабатывают эскизы общеrо расположения, позволяющие
установить принципиальную возможность размещения пассажиров, rрузов.
OCHoBHoro оборудования при принятых rлавных размерениях.
Во втором приближении по более точным аналитическим зависимостям
составляют уравнения масс, ходкости, остойчивости, вместимости, мореход-
ности. Путем cOBMecTHoro rрафоаналитическоrо решення этих уравнений
отыскивают наивыrоднейшее сочетание элементов СВП и ero качественных
характеристик.
В третьем приближении по чертежам общеrо расположения и конструк-
тивным схемам вьшолняют уточненный расчет наrрузки, ее разбивку по
длине СВП. Строят эпюру изrибающих моментов для расчетных режимов
и делают поверочный расчет общей прочности. Расчеты TpeTbero приближе
ния позволяют определить rлавные элементы СВП с достаточной точностью
для перехода к следующей стадии разработке эскизноrо проекта.
i 2. Опредепение основных эпементов свп
в первом прибпижении
В первом приближении пределы изменения водоизмеще-
ния, rлавных размерений и мощности энерrетической установки для рас-
сматриваемых вариантов проекта MorYT быть определены на основе анализа
статистических данных о построенных или спроектированных СВП анало-
rичноrо назначения. Однако при использовании статистических материалов
следует учитывать, что за рубежом СВП строят в основном авиационные или
бывшие авиационные фирмы на основе авиационной техники и с использо-
ванием документации, принятой в авиационной ПРО'\1ышленности. Эта дo
Кументация отличается от документации, принятой в отечественном cyдo
строении, особенно та ее часть, которая связана С расчетом наrрузки.
В практике отечественноrо судостроения принято представлять полное
ВОдоизмещение в виде суммы составляющих:
(] == Pt + Р 2 + Р з + Р.. + Р 5 +Р, + Р,+ P l1 + P 12 + Р 1з + Р 14 + P 1 & + Р 16 .
203
rде Р 1 масса корпуса (металлический корпус, подкрепления и фунда
менты, дельные вещи, покрытие и окраска, изоляция и оборудование поме
щений); Р 2 масса судовых устройств (рулевое, якорное, швартовное,
спасательное, rрузовое, paHroyT, такелаж, rибкие оrраждения ВП, аппа-
рели); Р з масса систем (трюмные, противопожарные, водоснабжения, сточ
ная, фановая, вентиляции, кондиционирования, отопления, rидравлики
и др.); Р 4 масса энерrетической установки (двиrатели, трансмиссии, пу
сковая установка, вспомоrательные энерrетические установки, движители,
системы энерrетических установок); Р 5 масса электроэнерrетической си
стемы, внутрисудовой связи и управления; Р 7 масса вооружения (радио
техническое, средства радиосвязи, навиrационное); Р 9 масса запасных
частей; Р ll запас водоизмещения и остойчивости; Р 12 масса постоян
ных жидких rрузов (остатки жидких rрузов в корпусе, топливных и масля
ных цистернах, механизмах и трубопроводах систем); Р 13 масса снабже
ния и имущества; P 14 масса экипажа, провизии, пресной воды, pacxoд
ных материалов; Р 15 масса перевозимоrо rруза; Р 16 массы запасов
топлива, масла и воды для энерrетической установки.
В авиастроении не существует единой классификации наrрузки, но в oc
нове классификации, принятые в авиастроении мноrих стран, близки между
собоЙ. В отечественном авиастроении масса аппарата представляется в виде
суммы шести основных составляющих:
00 ОК + ос. у + Ооб. упр + Ослуж + От + Оп. н,
rде ОК масса конструкции планера (крыло, фюзеляж, оперение, шасси,
окраска); ос. у масса силовой установки (двиrатели, винты, rондолы,
пилоны, системы двиrателей, системы шумоrлушения, воздухозаборники,
системы управления двиrателю1И); Ооб. упр масса оборудования и управ
лени я (электрооборудование, rидросистемы, пневмосистемы; аэронавиrа
ционное оборудование, радиосвязь, система управления самолетом, системы
безопасности противообледенительная, противопожарная, кислородная;
система кондиционирования, теплозвукоизоляция, бытовое оборудование,
отделка помещений); Ослуж масса снаряжения и служебной наrрузки
(экипаж, вода, продукты, спасательное оборудование, невырабатываемое
топливо, масло, технические жидкости, запасные части, инструменты); От
масса топлива (расходуе lое и навиrационный запас); ОП. н масса полез
ной наrрузКИ (пассажиры, баrаж, перевозимые rрузы).
Сравнив наrрузки СВП по классификации, принятой в' судостроении
и авиастроении, можно отметить следующее:
масса корпуса судна Р 1 превышает массу конструкции планера 0К' так
как в судостроении в этот раздел включают изоляцию и оборудование поме
щений;
масса систем, устройств, электрооборудования, вооружения включается
в авиационной практике в раздел «Оборудование и управление»;
масса энерrетической установки Р 4 практически соответствует массе
силовой установки ОС. У' еСЛИ к этому разделу отнести массу систем сепара
ции воздуха, подаваемоrо к [Т д, а также массу наrнетателей воздуха (BeH
тиляторов) и трансмиссий;
масса снабжения Р 1з + P 14 соответствует авиационному разделу «Сна.
ряжение и служебная наrрузка» при исключении l3сла и невырабатываемоrо
топлива (в судостроительной практике масло включается в раздел «Топливо,
Вода, масло»).
В целОм можно считать, что в судостроительной и авиастроительной
практике достаточно хорошо совпадают расчеты наrрузки по разделам
«Масса перевозимых rрузов», «Полезная наrрузка», «Топливо».
В табл. 2.1 приведены данные об укрупненных разделах наrрузки He
которых анrлийских СВП амфибийноrо типа. Как видно из таблицы, наибо
лее устойчивый показатель дЛЯ СВП отношение суммы масс полез ной
наrрузки и топлива к полному водоизмещению. ЭТо отношение на построен
ных СВП составляет 38 43%.
204
Таблица 2.1
Наrруэка СВП аМфн6нiiноrо тнпа, т
Разделы наrрузкн SRN5 SRN6. SRN2 SRN3 SRN4,
Мк.l МК.l
Металлический корпус 2,3 2,7 6,3 9,2 57,5
fибкие оrраждения 0,4 0,5 0,8 1,6 3,5
Механическая установка 0,8 0,8 3,8 4,0 23,7
Оборудование 1,2 1,6 5,5 8,3 21,9
Масса порожнеrо СВП 4,3 5,1 15,6 21,5 103,1
Комянда 0,1 0,2 0,5
Топливо 0,9 0,9 4,1 3,8 12,2
Перевозимый rруз 1,5 3,05 7,5 12,2 51,6
Полное водоизмещение 6,8 9,25 27,2 37,5 167,4
Полезная наrрузка и TO 35 42 42,5 43 38,5
пливо, % от полноrо BO
доизмещения
Поэтому в первом приближении
ределить по уравнению
О Р 15 + Р 16
0,38...;.- 0,43
полное водоизмещение СВП можно оп-
2,3...;.- 2,6 {Р 15 + Р 16 (О)].
(2.1 )
в этом уравнении масса полезной наrрузки включает массы пассажиров,
баrажа, rруза, Специальноrо вооружения, боезапаса. Уравнение (2.1) pe
комендуется решать в такой последовательности:
для рассчитанной массы полезной наrрузки Р 15 назначают три водоиз-
мещения, соответствующие, например, значениям
01 == 3 P15'
02 4,5 P15'
ОЗ 6 Р 15 ;
масса топлнва для этих трех водоизмещений определяется по зависи-
мости
R
Р 16 == 0, 08О сgтп ,
('
r e для расчетов. первоrо приближения можно принимать gтn ==
0,25 кr/(л. с..ч),
уравнение (2.1) решается rрафически.
Наиболее простой прием построение кривых О в координатах зада-
BaeMoro (01' 02' 0з) И получаемоrо [по формуле (2.1)] водоизмещения. Пе-
ресечение кривых О с лучом из нача. а координат под уrлом 450 к осям и дает
решение уравнения. Так как в уравнении (2.1) численный коэффициент имеет
предел изменения от 2,3 до 2,6, решение уравнения также будет неоднозначно.
Зная значение водоизмещения в первом приближении, можно опреде
лить r лаВные размерения СВП и необходимую мощность энерrетической
установки.
При определении rлавных размерений можно воспользоваться HeKOTO
рыми статистическими данными. Так, отношение длины СВП к ширине Ha
хрдится в пределах 1 ,8 2,4. Среднее давление в воздушной подушке у по-
c'tpoeHHbIx СВП изменяется в довольно широких пределах от 140
до 530 KrC/M 2 .
205.
На осиоваиии опыта постройки судов в Аиrлии рекомеидуемый диапа
зои средиеrо давления в воздушиой подушке пассажирских СВП может быть
принят по формуле
Рвп == 90 + 10501/5.
(2.2)
ДЛЯ СВП специальиоrо назиачеиия (иапример, для таикодесаитиых KO
раблей), при проектироваиии которых экоиомические показатели и ударные
переrрузки и!'! являются определяющими, давлеиие в воздушиой подушке
может быть повышено в два раза и более. Даниые о пределах измеиеиия дав-
ления в воздушной подушке СВП амфибийиоrо типа приведеиы иа рис. 2.1.
Реп, Рвп,
I<ВС/ Н Па
600 8000
500 5000
1.;00 Ч-ООО
300 3000
200
100
О 100 200 300 О, Т
Рис. 2.1. Пределы измеиеиия давлеиия в воздушной подушке
СВПА
Заштрихована зона давленнй, рекомендуемая для пассажирских свп
Приияв зиачеиие давлеиия в воздушиой подушке, иетрудио определить rлав'
ные размерения;
о
Sвп 0,95L вп В вп ,
Рвп
(2.2')
откуда
Ввп 1,025 Vsвп/л. вп и L вп == '.впВвп'
Необходимая мощность эиерrетической устаиовки СВП в первом при-
ближении может быть определеиа иа основании статистических даниых 06
эиерrовооружеииости СВП. ДЛЯ обеспечения движения иа тихой воде со
скоростью около 60 уз эта эиерrовооружениость (отношеиие полиой мощио-
сти rлавиой механической устаиовки к полиому водоизмещеиию) должна
составлять около 100 л. с./т при иекотором увеличеиии этой цифры (и а 10%)
для малых судов и умеиьшеиии ее (иа 15 30%) для СУДОВ больших раз-
206
меров. Примерно 2/3 мощности энерrетической установки СВП затрачивается
иа движеиие и 1/ 3 на подъем. Зиая в первом приближении полиое водоиз-
мещение СВП, мощность эиерrетической установки и rлавиые размереииЯ,
можио приступить к Общей архитектуриой компоновке и разработке эскизов
общеrо расположения.
Способы определения водоизмещения СВП cKeroBoro типа в первом при
ближеиии во MHoroM аиалоrичны способам, используемым при проектиро-
ваиии СВПА, одиако проектироваиие СВПС имеет особенности. Рассмотрим
последовательно Процесс оценки водоизмещения и rлавных размерений
СВПс.
Отправной точКОй для определеиия водоизмещеииЯ СВПС является со-
отношение между заданиой массой ПОлезиой (коммерческой или воениой)
Н/6, к8т/т
150
100
80
60
Ч-О
НН.2
д
JO
д
"lfтlKa и
20
15 5 50 100 500 1000 6, т 5000
Рис. 2.2. Зависимость удельной мощности ЭУ cKeroBbIx СВП от их
массы
наrрузки Р 15 И статистическими даниыми о доле этой иаrрузки в полиом BO
Доизмещении судна О. Таким Образом оцеиивается возможный диапазои зиа-
чений ВОДоизмещения судна
0== Р 15 .
15
Величина 15 колеблется в широких пределах, примерно от 0,05 до 0,20, что
вызывает чрезвычайно большой разброс значений водоизмещения. Поэтому
возникает дополнительное условие масса запаса топлива Р 16 определяется
по заданным дальнОСти плавания и скорости судна. При эТОм используют
приближенные статистические данные об удельной мощиости rлавнОЙ ЭУ
судна N/O и осредненном удельном расходе топлива gтп, а также более устой-
чивый статистический показатель ОТНОшение массы переменных rрузов
(дедвейта) к полному ВОДоизмещению СВПС. На этой стадии проектирования
в дедвейт включают сумму масс полезной наrрузки и топлива (рис. 2.2 и 2.3):
N п (Nп/О) о; (2.3)
Р 16 N длgтпS/v; (2.4)
0== (Р 15 + Р 16 )/! (О), (2.5)
207
rде
N П/О == f (О. v); (2.6)
gтп == 0.300 кr/(кВт.ч) для rазотурбинной rэу; gтп == 0.245 кr/(кВт.ч)
для дизельной rэу. .
Решая совместно уравнения (2.3) н (2.6), уточняют возможное значение
полноrо водоизмещениЯ судна.
После оценки водоизмещениЯ СВПС возникает возможность определе
ния размерений судна: длины н ширины воздушной подушки L вп и Ввп'
высоты cKeroB Н СК . длины. ширины И высоты корпуса L, В, Н. Прн этом
определении используют параметр Рвп/ L вп , характеризующий относнтель-
ные деформации водной поверхности при продольном движении судна, и
связанное с ними волновое сопротивление, основное соотношение размеров
L вп / Ввп (также связанное с характером волнообразования), относнтельное
водоизмещение cKeroB '\' WCK/O и заданную высоту волны, характеризующую
мореходность судна.
((6)
сША
аоат ки ,
про]!... .......-
L.SES
.
0,50
SES 100 В
0,',5 ......
.............
............
............
............
0,"0
0,35100
1000
10000 6, т
Рис. 2.3. Зависимость величины f (О) дЛЯ СВП от их массы
На рис. 2.4 приведены кривые, с помощью которых можно определить
L вп и Ввп по вычисленному значению О и принятым соотношениям Рвп/Ввп
и L вп / Ввп' Кривые рассчитаны по формулам
V (О ,\,Wск)(Lвп/Ввп)
L вп
рвп/1,вп
Ввп == Lвп/(Lвп/Ввп), (2.8)
Величина O ,\,WCK представлена в виде KwCKO' rде KW CK == 1 ,\,WcK/G.
Анализ результатов проработок различных вариантов СВПС, выполнен-
ных в США [44], показывает, что ориентировочные значения РВП/ L вп и
L вп / Ввп для расчетов в первом приближении MorYT быть найдены по кри-
вым, приведеиным на рис. 2.4 и 2.5, в зависимости от Fr О' paBHoro
(2.7)
Fr == Vрасч (2.9)
D V gVO/Y '
Длина СВПС в первом приближении может быть Оценена по формуле
L == k L L вп .
rде kl. == 1,1 0+ 1,20 в зависимости от архитектурноrо оформления оконеч-
ностей судна.
208
hвп./1
250
f(WCK == D,BO
I
С вп == 30000 т
200
150
100
50
о
10
"О В 50
8 П, /1
20
30
Рис. 2.4. Зависимость соотношения размерен ий воз-
душной подушки СВПС от их массы и РВП/ L вп
Рвп/ L вп == 15 Krc/M 3 (0,15 кПа/м); Рвп/ L вп ==
== 25 Krc/M 3 (0,25 кПа/м)
10
о
1
2
тихая 80аа
J
в Fr1J
5
Рис. 2.5. Зависимость rидродинамическоrо качества СВП С от их
массы и числа Фруда h;' == hволн/ .v D/'Yr ; FrD == v/ V g .v D/'Yr
а)
В СК /(8 == 1,0
б)
8)
t::
'"
f-..'"
2)
Рис. 2.6. Зависимость коэффициента kB от формы мидель-шпанrоута
cKera
Ширину СВПС оценивают по формуле
В == Ввп [1 + 2k B (Вск/Ввп)],
(2.10)
rде Вск/Ввп определяется по рекомендациям, приведениым в 5; k B
коэффициент, учитывающий архитектурную форму мидель-шпанrоута и
устанавливаемый с помощью рис. 2.6.
Высоту cKera в районе мидель-шпанrоута НСК определяют по заданной
мореходности судна. Для лучшеrо использования определенной расчетом
высоты cKeroB днище в носовой части корпуса несколько приподнимают,
что дает возможность избеrать удароВ волн при продольной качке судна.
С друrой стороны, приподнятое днище приводит к существенному увеличе
нию высоты проема, перекрываемоrо нОСОВЫм подвижным оrраждением,
т. е. усложняет и утяжеляет ero конструцию.
Высота борта OCHoBHoro корпуса определяется на основе вычисления
объема, необходимоrо для размещения оборудования, перевозимоrо rруза,
помещений экипажа и т. п. С учетом принятоrо при проектировании между-
палубноrо расстояния. Объем cKeroB обычно используют для размещения
запасов топлива, машинных отделений, кладовых, мастерских и друrих вспо-
моrательных помещений. Объем надстройки rрузовых СВПС составляет не
более 5 IO% CYMMapHoro объема, а на пассажирских и друrих СВПС друrоrо
назначения он может быть IO 20% и более.
rлавные размерения, полученные таким образом, служат основой для
разработки теоретическоrо и конструктивноrо чертежей корпуса, а также
для важнейших расчетов, например для оценки давления в воздушной по-
душке по формуле
Рвп == (рвп/Lвп) L вп .
i 3. Опредепение rпааных эпементов свп
во втором прибпижении
Второе приближение отыскание наивыrоднейшеrо со-
четания основных элементов и rлавных размерений СВП, которое обеспечит
решение основных задач проектирования судна при минимальных затратах
или при минимальном водоизмещении.
Из теории проектирования судов известно, что основные элементы
судна MorYT быть определены на основании cOBMecTHoro решения системы
уравнений, устанавливающих связь между качественными элементами судна
и требованиями задания. Это положение теории проектировани я судов при-
менимо и при проектировании СВП амфибийноrо и cKeroBoro типов. Основ-
ными уравнениями при проектированин СВП являются:
уравнение масс (или уравнение баланса масс), связывающее массу каж-
дой составляющей наrрузки судна с ero rлавными размерениями;
уравнение мощностн, выражающее зависимость необходнмой мощности
энерrетической установки от водоизмещения, r лавных размерений и скорости
СВП;
уравнение остойчивости, устанавливающее связь между параметрами
остойчивостн и rлавными размерениями СВП;
уравнение мореходности, свЯзывающее размерения судна и ero энерrо-
и тяrовооруженность с мореходностью (характеризуемой высотой волн
3% -ной обеспеченности, при которой возможна эксплуатация СВП);
уравнеиие непотопляемости, устанавли.вающее соотношение rлавных
Размерений судна, позволяющее сохранить заданную высоту надводноrо
борта при повреждениях корпуса, реrламентированных правилами;
21I
уравнение вместимости, связывающее rлавные размерения с объемом
судовых помещений, необходимым для размещения rрузов, запасов, меха-
низмов и устройств;
уравнение стоимости, выражающее зависимость СТОИМОсти постройки
СВП от ero rлавных элементОВ.
3.1. Уравнение масс
Уравнение масс осиовное уравнение проектируемоrо
СВП. Как и для летательных аппаратов, дЛЯ СВП недопустимо утяжеление
(переrружение) судна, поэтому расчеты масс при проектировании СВП имеют
исключительно важное значение.
На ранних стадиях проектирования невозможен подетальный расчет
всех составляющих наrрузки судна. (Такой расчет возможен только на за-
вершающих стадиях техническоrо проектирования и при разработке рабо-
чих чертежей.) На ранних стадиях проектирования расчет масс ВЫПОлняют
по УПрощенным формулам. По структуре построения и обоснованности вы-
вода эти формулы условно подразделяют на функциональные (теоретические)
и статистические (эмпирические). Наиболее правильно при проектировании
использовать функциональные формулы, так как в основе их вывода лежит
нахождение связи между массой конструкции, ее размерами и действующими
наrрузками, что позволяет испольЗОвать эти формулы для параметрическоrо
аиализа.
Однако обоснование функциональных формул требует накопления ста-
тистическоrо материала, на основе анализа KOToporo устанавливают стати-
стические коэффициенты, ВХОДЯщие в функциональные формулы.
При проектировании СВП ПРИХОДИТСЯ пользоваться довольно простыми
стаТистическими и функциональными формулами преимущественно парной
корреляции. В связи с этим характеристики масс СВП на начальной стадии
проектирования определяются со значительно меньшей точностью, чем аэро
rидродинамические характеристики.
Нельзя не отметить, что СВП новое транспортное средство и еще не
сложились традиции их проектирования. Неизбежно будут ПРОИСХОДИТЬ
качественные изменения архитектурных форм СВП, конструктивных схем,
КОмпоновки энерrетических установок. Эти изменения должны у итываться
при проектировании, и весовые формулы при таких изменениях необходимо
проверять и совершенствовать.
Наибольшие трудности в начальных стадиях проектирования связаны
с расчетом массы корпусных конструкций, составляющей дo'30 35% пол-
Horo водоизмещения. Если учесть, что масса полезной наrрузки (rруз +
топливо) составляет около 39 43% водоизмещения, станОВИТСЯ очевид
иым, что любая экономия массы корпусных КОнструкций приведет к увели-
чению полезной наrрузки или дальности плавания.
В связи с этим при проектировании СВП важнейшее значение приобре
тает выбор материала корпуса. На СВП нельзя применять авиационные KOH
СТрукционные материалы из-за их недостаточной коррозионной стойкости
в морских условиях. Как материалы для корпуса СВП MorYT рассматриваться
сталь, алюминиевые сплавы, титан, стеклопластики. При анализе следует
учитывать не только прочностные характеристики, но и коррозионные Ka
чества, стоимость материала и ero обработки.
Расчеты показывают, что применение титана на СВП экономически не
оправдано, сталь не отвечает требованиям СВП по своим весовым xapaKTe
ристикам, поэтому корпуса всех современных СВП строятся в основном из
алюминиевых сплавов или стеклопластиков, рассчитанных на эксплуата-
цию в морских условиях.
Для некоторых несущих конструкций (особенно для rрузовых палуб)
MorYT применяться композитные конструкции, в частности силовые трехслой-
ные панели с сотовым заполнителем, имеющие высокие характеристики проч-
ности и жесткости, при небольшом объемном весе. В целом же следует учи-
212
тывать, что совершенствование баланса масс конструкций СВП должно до-
стиrаться применением современных, но не очень дороrих матеflиалов.
При выполнении расчетов наrрузки во втором приближении необходимо
учитывать конкретную общую компоновку СВП, которая должна быть раз-
работана по результатам первоrо приближения. При расчете наrрузки по
разделу «Металлический корпус» можно условно расчленить элементы кор-
пуса на две rруппы: продольные связи, обеспечивающие общую прочность
СВП; поперечный набор днища, бортов, палуб и продольных переборок,
местные конструкции и поперечные переборКИ.
Для установления массы продольных связей воспользуемся уравнением
прочности, связывающим действующие на СВП внешние силы с напряже-
ниями в связях корпуса.
Уравнение прочности имеет вид
м mах === ОТ W min.
(2.11 )
В практике проектирования СУДОВ для определения изrибающеrо мо-
мента широко используют зависимость
GL
М mах ===
к '
rде G полное водоизмещение, Т;
L длина судна по ватерлинии, м;
К коэффициеит, определяемый по статистическим данным.
Изrибающий момент СВПА определяют для нескольких расчетных слу-
чаев:
а) при постановке на подошву волны (движение в водоизмещающем по
ложении, без воздушной подушки (ВП);
б) при движении на волнении на ВП с заданной скоростью хода;
в) при быстрой потере ВП из-за неисправности энерrетической уста-
новки, коrда судно при большой скорости «проваливается»;
r) при взаимодействии с rpYHToM (при «rрубой» посадке на опоры).
При расчете крупных СВП опредеЛЯЮЩИМ в ряде случаев оказывается
первый режим. Для широкоrо диапазона водоизмещений построенных СВП
коэффициент К оказался недостаточно устойчив. Так', дЛЯ SR N4 Мк. 1 и для
американских Джефф К === 5,5.
Для судов меньшеrо водоизмещения коэффициент К увеличивается
до 7 10. Поэтому значение коэффициента К при проектировании следует
принимать по ближнему прототипу. Допускаемые напряжения в продольных
связях корпуса на этом этапе проектирования можно принимать равными
0,4 от.
Минимальный момент сопротивления эквивалентноrо бруса может быть
представлен в виде
W mln === F ЭН:(Q '
(2.12)
rде F Э ПЛощадь продольных связей, включенных в эквивалентный брус.
см 2 .
H?Jl вы'сота корпуса на мидель-шпанrоуте, м.
Анализ статистических материалов показывает, что обычно дЛЯ СВП
коэффициент находится в пределах 0,25 0,35.
Тот же анализ дает основание сделать следующий вывод: из-за малых
ТОЛщин листов и большwх вырезов в надстройках СВП далеко не все про
дольные связи включают в расчет эквивалентноrо бруса (примерно 40%),
I'I, следовательно, площадь фактических продольных связей в 2,5 раза MO
жет превышать расчетную площадь связей эквивалентноrо бруса.
213
Таким образом,
OL
М mах == К == O'T W mlп == о,4а т F Э Н:(Q == атFПРОДН:(Q ;
(2. \3)
F прод ==
OL
КатН :(Q
(2.14)
Масса продольных связей (т)
Р ПРОД == llt'\'M
OL2
KOTH:(Q '
(2.15)
rде аl коэффициент, учитывающнй изменение площади сечения продоль-
ных связей к оконечностям (аl == 0,93).
Массу остальной части корпуса, включая подкрепления и фундаменты,
можно динять прОПОрциональиой площади обшивки, палуб, переборок,
или W K .
Тоrда общая масса металлическоrо корпуса может быть найдена по фор-
муле
Р OL2 + а W 2 / 3
0101 == a 1 '\'М KOTH:(Q 2 к'
Значение коэффициента а 2 для построенных свп колеблется в пределах
0,17 O,22.
Массу навесных металлических конструкций (предусмотренных, напри-
мер, на SR, N6) определяют дополнительно по зависимости (Р н . к' т)
(2.16)
Р и. к == 0,06S H . кРвп .10 3,
rде Sи. к суммарная Площадь навесных металлических конструкций в
плане, м 2 .
Масса (т) дельных вещей и Окраски может быть определена по зависи-
мости
Р 010З == 0,020.
0105
Массу судовых устройств (рулевоrо, якорноrо, швартоВ'Ноrо, буксир
Horo, спасательноrо, подъемноrо) рекомендуется определять по зависимости
Р 02 == 0,4 (0/ уРвп)
(2.17)
или
Р 02 == КуО2/3,
(2.18)
{"де К у == 0,13.
Масса rибкоr? оrраждения зависит от ero размеров, характеристик ма-
териала, принятои схемы секционировання подушки, давления в воздушной
подушке и особенностей требований к условиям эксплуатации данноrо свп
{движение над сушей, льдом \1 т. п.). Массу rибкоrо оrраждения (т) можно
рассчитывать по формуле
Р 0211 [О == 0,12 (L вп + Ввп) hrорвп .10 3
(2.19)
(rибкие оrраждения СВП относятся к разделу наrрузки «Устройства»).
Массу по разделу «Снабжение, имущество» (т) рекомендуется рассчиты-
вать по зависимости
Р 1з == 0,060.
(2.20)
214
Масса судовых систем (т) может быть Определена по формуле
Р з == KCTW K , (2.21)
rде значение К ст зависит от назначения свп, ero автономности; для корот-
корейсовых свп Кст == 0,0025.
Масса электрооборудования (т) зависит от суммарной мощности электро-
станций, rлавных размереннй и объема свп:
Р 5 == к эл 0 2 / 3 . (2.22)
Коэффициент пропорциональности К эл следует принимать по прототипу.
Среднее значение К эл ==0,05.
Масса энерrетической установки вКлючает двиrатели, редукторы, валы,
наrнетатели и воздушные винты и зависит от общей компоновочной схемы
установки, характеристик двиrателей, КОличества и типа наrнетателей
и вИнтов. Масса энерrетической установки (т) может быть определена по фор-
муле
P4==KM N.I0 3,
(2.23)
rде КМ коэффициент прОПОрциональности (удельная масса энерrетической
установки), определяемый по данным прототипов.
На основе опыта постройки свп принимается: КМ == 1,1 для энерrети-
ческих установок с раздельными приводами винтов и наrнетателей КМ ==
== 1,5 + 1,8 для совмещенных установок, имеющих единый привод винтов
и наrнетателей.
Дедвейт вкЛючает: 1) массу экипажа с баrажом, продовольствием и Прес-
ной водой, определяемую с учетом заданной автономности по соответствую-
щим документам; 2) массу перевозимоrо rруза, определяемоrо заданием.
Для пассажирских свп в расчетах наrрузки массу пассажиров с баrажом
принимают на основе опыта постройки СПК (в среднем 93 Kr) ИЛи опыта,
накопленноrо в авиации (90 Kr); 3) запас топлива и масла (т), который MO
жет быть определен по формуле
R 3
Р 16 == gтп N АЛ --;- . 1 О ,
(2.24)
N дл == 0,8N п .
Для свп со сравнительно большой дальностью плавания, имеющих
большой диапазон изменения водоизмещения во время плавания, дальность
плавания должна' определяться по лоrарифмической зависимости
Ov О
R == 2300 н н Ig , (2.25)
gтп N Д)) ОСТ
rде ОН, ОСТ водоизмещения свп нормальное и с израсходованным топли-
вом соответственно.
Уравнение масс свп cKeroBoro типа по структуре принципиально не
отличается от уравнения масс амфибийных свп. Однако существенные от-
личия технико-экономических параметров и конструктивных решений, ис
пользуемых при проектировании cKeroBbIx и амфибийных свп, вызывают
различия и в зависимостях, входящих в уравнения масс. Так, при оценке
массы корпуса свпс учитывают скеrи и действующие на них силы, а также
увеличенные (из-за cKeroB) линейные размеры корпусов свпс и действую-
щие на них силы.
В массу энерrетической установки свпс, как правило, входят массы
не воздушных, а водяных rребных винтов ИЛи водометных движителей; BMe
сто массы периферийных и секционирующих rибких оrраждений при проек
тировании свпс рассчитывают массу концевых подвижных оrраждений.
убирllющейся или неубирающейся конструкции и т. п.
215
Массу полезной наrрузки в проектных проработках СВПС, выполненных
за рубежом, определяли следующим обраЗ0М. В расчетах массу конструкции
(металлическоrо корпуса) принимал и равной 25 30% полной массы. Масса
rлавных и вспомоrательных механизмов, оборудования и судовоrо снабже-
ния составляла 20 25%. Такнм образом, полезная наrрузка СВПС, вклю
чаЮщая перевозимый r уз (вооружение), топливо и экипаж с провизией,
были оценены в 45 50% от полной массы.
Это соотношение масс принимают н в настоящее время, коrда для изrо-
товления металлическоrо корпуса предусматрнвается ИСПОЛЬЗ0вание леrких
Сплавов на алюминневой основе. В перспектнве возможно ИСПОЛЬЗ0вание
новых леrких и прочных материалов (титановых сплавов, стеклопластиков,
высокопрочных КОМПОЗИТНЫх материалов.) Использование новых материа
лов, как полаrают, позволит снизить массу конструкции СВПС на 10 25%
и довести массу полезной наrрузки крупных СВПС дО 56% от полной.
СВПС ОТНОсительно малоrо водоизмещения имеют менее блаrопрнят-
ное отношение массы полезной наrрузки к полной массе. В табл. 2.2 Прнве-
Таблица 2.2
СостаВПRlOщне наrрузкн экспернмеНтапьных свпс
SES 100 и 2KSES
2I(SES
SES 100A
SES 100B
Составляющне иаrрузки
Масса. т I % G масса, т I % G Масса, т 1 % G
Металлический корпус 617 28,04 34,50 30,16 31,70 33,44
Энерrетнческая установ- 168 7,64 22,30 19,49 12,69 13,38
ка:
система движения 14,70 12,85 7,37 7,77
» поддержания 7,60 6,64 5,32 5,61
Электроэнерrетическая си 48 2,18 1,74 1,52 0,65 0,68
стема
Снстема автоматнческоrо 54 2,45
управлени я
Вспомоrательное оборудо 211 9,59 5,81 5,08 3,07 3,24
ваиие
Снабжеиие 111 5,04
Общесудовые системы 4,21 3,68 1,41 1,49
Вооружение 12 0,54
Запас во)).оизмещения 147 6,68
Водоизмещение пnрожнеrо 1368 62,18 68,56 59,93 49,52 52,24
судна
Экипаж 0,42 0,37 0,49 0,52
Сиабжение 0,25 0,22
Жидкие rрузы 0,0.'> 0,04 10,30 10,86
Полезный rpy3 (экспе 9,06 7,92
риментальное оборудова-
ние)
Боезапас 50 2,68
Топливо 773 35,14 36,15 31,60 34,50 36,39
полное водонзмещенне 2200 100 114,4 100 94,8 100
216
дено распределение масс наrрузок дЛЯ СВПС SES-100A н SES-100B. В pac
пределении масс HarpY30K по эскизному проекту противолодочноrо фреrата
2KSES обращает на себя внимание значительная доля топлива в полезной
HarpY3Ke (35 из 43%. т. е. 81 % от полезной наrрузки), что, очевидно, BЫ3
вано стремлением проектантов макснмально увеличить дальность плавания
судна. Кроме Toro, следует учитывать, что американская нормаль наrрузки
не соответствует отечественной и ряд масс для более точноrо сопоставлення
должен быть перераспределен.
Такая переоценка была выполнена на основании данных, приведенных
выше, а также в работах [44,51,55]. В результате получена табл. 2.3, rде
дано обобщенное распределение составляющих полной массы СВПС, KOTO
рое можно ИСПОЛЬЗ0вать для ориентировочных прикидок.
Таблица 2.3
Тнповаа наrрузка масс свпс
HarpY3Ka масс, % ОТ
полноrо водоизмещеиия
Статьи иаrрузки
Корпус с оборудованием и устройствами (вклю
qая подвижные оrраждения)
Общесудовые системы
Энерrетическая установка
Электроэнерrетическая система, средства связи
и навиrации
Жндкие rрузы
Экипаж и снабжение
Топливо (орrаническое)
Перевозимый rруз (включая пассажиров с бэ
rажом)
Запас водоизмещения
ЭУ На орrаии АЭУ
ческам топливе
30 33 31 35
2 3 2 3
8 10 28 32
3 4 2 3
2 6 2 6
2 4 2 4
20 30 2 3
1O 23 12 25
5 6 5 6
Основные составляющне массы СВПС при ориентировочных прикидках
на стадии исследовательскоrо проектирования MorYT быть получены следую-
щим образом.
Массу корпуса с. оборудованием рассчитывают по известным значениям
полноrо водонзмещения, скоростн судна на полном ходу, длины,' ширины
и высоты борта корпуса, ширины воздушной подушки, высоты cKera (для
заданноrо материала корпуса, автономности по запасам ПрОВИ3ИИ, числен-
ности экнпажа судна и пассажиров пэк и п пас ) при следующих допущениях:
расчетный изrибающий момент определяют по общепринятой формуле
М нзr G L пр / Км, но в качестве длины L используют приведенную длнну
L пр У L2 + 82, а коэффициент Км определяют по кривым, приведенным
на рис. 2.7, в завнсимОСТИ от G и v;
расчет момента инерции сечения эквивалентноrо бруса заменяют пр н-
ближенной оценкой толщины основных связей и поперечных переборок, ко-
торые приннмают равными Sпр;
объем надстройки принимают равным 20% объема корпуса СВПС.
В табл. 2.4 коэффнцнент k A принимают по рнс. 2.7 (пунктир), коэффи-
циент k B по рис. 2.8 (в зависимоСти от заданной автономности плавания
и назначения судна).
Массу общесудовых
устройств оценивают по формуле
Р2 О, 16п эк + О, 11а.
(2.26)
217
Массу специальноrо устройства подвижных оrраждений воздушной
подушки можно найти по формуле
Р2 по == (0,029 0,OOI 22рвп) NпоВвпН к,
rде Nпо """ 2 при наличии только HOcoBoro и KopMoBoro подвнжных оrражде-
пий; Nпо """ 3 при наличии ДОПОлнительноrо секционирующеrо оrраждения.
G п&
К,.,= Нуд
10 ....3
G вп '1О,Т
Рис. 2.7. Зависимости коэффициента изrибающеrо мо-
Мента и поправочноrо ко?ффициента КА от водоизмещ€
ния и скорости СВПС
Кл
1,3
1,2
1,1 2
1,0
0,20
6
К,.,
ц
"-
"-
.......
КА
о
4
6
8
2
Кб
0,25
0,15
"
"
"
./
0,10
О
10
5
15
А, сут
Рис. 2.8. Зависимость коэффициента Кв от заданной
автономности плавания и назначения судна
rРУЗ08ые свпс; пассажирские СВПС и паромы
Следующая важная статья наrрузки масса энерrетической установки
Р4' оцениваемая в зависимости от Типа ЭУ и ее мощности N п . Мощность энер-
rетической установки N, в свою очередь, определяется аэроrидродинамиче-
ским качеством судна Kr и пропульсивным КОЭффИЦ"lентом 'I1AB' а также рас-
ходом воздуха Q, давлением в воздушной подушке Рвп' коэффициентом даЕ:
218
ления (отношением давления за воздухонаrнетателем к давлению в воздуш
ной подушке) kp и КПД воздухонаrнетателя '118:
р == Р4 N == Р4 [ Sвп (1 + Kw) V + Qk p ] . (2.27)
4 N N Рвп K r 1'JдB '118
rде Р4/ N удельная масса энерrетической установки, определяемая в за-
висимости от типа ЭУ: по кривым, прнведенным на рис. 2.9 в случае rазо
турбинной ЭУ на орrаническом топливе; в случае АЭУ Р4/ N o, 0045 т/кВт;
Kw коэффициент разrрузки воздушной подушки скеrами:
Kw == (1'W CK + Zск)/(Sвпрвп);
W CK поrруженный объем cKeroB при скорости движения судна и, ZCK
rидродинамическая подъемная сила на cKerax при скорости и; Sвп в pac
четах исследовательскоrо проектирования СВПС обычно Sвп LвпВ вп ,
Массу орrаническоrо топлива определяют с помощью общепринятой
формулы, учитывающей изменение скорости судна и дальности плавания
вследствие изменения массы судна по мере расходования топлива.
P1f/N, P1f/N,
кr/л.с. Kr/KBT
J
2
2 1,5
1
1
0,5
О 20 40
YPO{Jellb 1980 1g 5rr.
Ypo{JeHb 1990 2000rr.
120
u, уз
Рис. 2.9. Показатели удельной массы rазотурбинных
ЭУ СВП
Остальные разделы массы СВПС при исследовательском проектировании
принимают как долю 1I0лноrо водоизмещения. При специальном исследова-
нии KOHKpeTHoro вопроса соответствующие разделы массы рассчитывают бо
лее Подробно.
В практике проектирования судов принято резервировать водоизмеще-
ние на различных стадиях проектирования судна, назначая запас водоизме-
щения. Различаются три вида запаса Водоизмещения (см. rл. 11, ч. 1 книrи):
запас на модернизацию, оrовариваемый заказчиком в задании;
запас «техническоrо проrресса», принимаемый для КОмпенсации увели-
чения массы при замене старых образцов оборудования новыми в процессе
проектирования и постройки;
запас на возможные ошибки в определении масс из-за приближенности
кораблеСТРОliтельных расчетов. Этот запас назначает rлавный коиструктор
на различных стадиях проектирования исходя из допустимой степени риска.
Запас Водоизмещения зависит от точности методик и может быть cTporo обос-
нован, если при проектировании выполняют постатейный расчет квадратич-
ных ошибок. Из за оrраниченности статистичеСКОrо материала выполнение
таких расчетов при проектировании СВП затруднительно. Запас водоизме-
щения на начальных стадиях проектирования СВП должен составлять ие
менее 5% от полноrо водоизмещения.
219
3.2. Уравнение остончивости
Мощность энерrетической установки, предназначенную для создания
ВОЗДУШНОЙ подушки и обеспечения остойчивости СВП, можно рассчитать
по схеме, приведенной в rл. VI.
С достаточной степенью точности эту мощность (л. с.) можно также
определить по формуле
Опыт создания и эксплуатации СВП показывает следую-
щее. На СВП с двухъярусными rибкими оrраждениями, характеризующи-
мися правильным секционированием воздушной подушки и коэффициентом
перепада давления в системе ресивер подушка Рр/Рвп 1,3, параметры
остойчивости, необходимые по условиям безопасности эксплуатации, MorYT
быть обеспечены при следующих соотношениях апплнкаты центра тяжести
СВП, ширины воздушной подушки и высоты rибкоrо оrраждения:
N Qpp
вп 75'1lB'
(2.31 )
(2.29)
rде Q объемный расход воздуха, направляемоrо в подушку в режиме
движения на волнении, м 3 /с; Рр 1,3 Рвп' Krc/M 2 . По данным статистики,
'IlB 0,5 + 0,65.
Необходимый объемный расход воздуха Q можно определить пересче
"том с близкоrо прототипа (Q Q пр т 5 / 2 ) или по приближенной формуле
Q 0,8S вп V hro. (2.32)
hro O,17;
Ввп
zg+hro :%;0,33.
Ввп
(2.28)
н 1Q (0,3 + 0,33) Ввп'
(2.30)
Если часть воздуха от наrнетателя поступает к двиrателям (<<подушку»
используют как ступень сепарации) или к различным arperaTaM для их ox
лаждения, необходимо в формулу (2.32) вводить дополнительный коэффи
циент К 1,1 + 1,2.
В работе [15] для расчета мощности наrнетательной установки реко-
мендуется зависимость (л. с.)
N О,25а ( 1 + Lвп )V
вп В Рвп'
'IlB вп
(2.33)
Так как обычно на СВП Zg (0,5 + 0,6) Н 1Q' то можно установить зависи-
мость между высотой борта и шириной СВП:
На основе выражений (2.28) и (2.30) MorYT быть построены кривые за-
висимости ширины судна по воздушной подушке и предельной высоты борта
от водоизмещения. Эти кривые, нанесенные на общий rрафик, можно рас-
матривать как оrраничительные, определяемые условиями обеспечения
<JСТОЙЧ ивости.
3.3. Уравнение мощности
Мощности, необходимые для движения СВП и создания воздушной по-
душки, рассчитанные по предложенным выше зависимостям, в сумме позво-
ляют определить необходимую длительную мощность энерrетической уста-
новки СВП. Обычно длительная мощность rазотурбинных двиrателей co
ставляет O,75 0,8 полной мощности. Следовательно, полная мощность энер
rетической установки СВП должна составлять 1,25 1,33 рассчитанной дли
"Тельной мощности
Суммарная мощность энерrетической установки СВП
-складывается из мощности, необходимой для движения N ДВ, и мощности,
необходимой для создания воздушной подушки N вп'
Мощность, необходимая для движения судна (л. с.), может быть опреде-
лена по формуле
N п 1,25 + 1,33N дл '
(2.34)
3.4. Уравнение мореходности
Хи
Nдв ,
751JдB
Мореходность СВПА зависит от ero водоизмещениЯ,
размеров, конструкции и формы rцбких оrраждений, параметров !30ЗДУШНОЙ
подушки (высоты И давления, объемноrо расхода воздуха в подушку) и тяrо
вооруженности.
Анализ опыта эксплуатации СВПА дает основание сформулировать сле-
дующие условия обеспечения мореходности СВП амфибийноrо типа:
суда Moryт находиться в море и двиrаться на воздушной подушке при
высотах волн 3% ной обеспеченности, превосходящих высоту rибкоrо оrраж-
дения в 1,3 1,5 раза (скорость судна при этом может снижаться на 50%);
реrулярное плавание СВПА на всех курсовых уrлах к волне может быть
обеспечено при высотах волн, примерно равных 0,8 высоты rибкоrо оrражде-
ния (скорость судна при этом снижается до 25%).
Так как по условиям остойчивости h ro / Ввп 0,17, то эксплуатация
СВПА возможна при высотах волн h з % 0,22 + 0,25 Ввп'
Реrулярное плавание со скоростью около 40 уз возможно при высотах
волн
в предварительных расчетах можно принять 1'JДВ 0,55.
Полное сопротивление движению СВП на заданных расчетных режимах
можно рассчитать с достаточной степенью точности по расчетной схеме,
приведенной ниже в табл. 3.2.
На основании этих расчетов можно построить кривые зависимости CYM
MapHoro сопротивления движению на тихой воде и на волнении от водоизме
щения при различных значениях среднеrо давления в воздушной подушке
и определить по вышеприведенной формуле мощность, необходимую для
движения.
Располаrая данными о сопротивлении движению при различной CKO
рости судна, можно приступить к проектированию движительноrо комплекса.
Следует учитывать, что суммарная тяrа движителей должна на 15 20%
превышать полное сопротивление движению в районе «rорба» для обеспече
ния быстроrо набора скорости и выхода на побережье с уклоном до 60. Прак
тически считается целесообразным доведение суммарной тяrи движителей
при скорости судна, соответствующей «rорбу» сопротивления, ,до 0,1 а. ПРQ
ектирование движительных комплексов подробно рассмотрено в rл. VI.
h з % <;: 0,135В вп .
(2.35)
221
220
Движение СВП на волнении возможно при условии, если тяrа движи
телей, рассчитанная с учетом встречноrо ветра, существеино превышает пол
ное сопротивление движению судна в районе «rорба» сопротивления.
3.5. Уравнение непотопляемости
Требования к непотопляемости СВП в настоящее время
oroBopeHbI правилами классификации судов и принятым ИМКО «Кодексом
безопасности для судов с динамическими принципами поддержания». Этими
требованиями предусмотрено, что СВП после повреждения нища или борта
должно оставаться на плаву и иметь положительную остоичивость, причем
уrол крена или дифферента не должен превышать 8°, а конечная ватерли
ния должна находиться по крайней мере на 75 мм ниже уровня любоrо от-
верстия, через которое может произойти проrрессирующее затопление.
Для расчетов требованиями установлены следующие размеры повреж-
дений:
По длине. .
rлубине
» высоте .
Поврежр,епия борта
.. ... 0,1 длины судна
. . . . . . Не менее 0,12 ширины поитона
. . . . . . По всей высоте борта
Повреждения р,пища
По длине .
ширине
rлубнне
0,1 длины судна
0,2 ширииы судна
0,02 судна
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Обычно плавучесть СВП обеспечивается основным конструктивным
элементом корпуса понтоном, разделенным продольными и поперечными
переборками на водонепроницаемые отсеки. Можно считать, получая HeKO
торый запас, что иадстройки не входят в водоиепроницаемый коитур. Тоrда,
прииимая район затопления в соответствии с требованиями, можно написать
уравнение непотопляемости для рассматриваемой конструктивной схемы
С8П.
3.6. Уравнение вместимости
Уже в расчетах первоrо приближеиня разрабатывают
схемы общеrо расположения СВП и варианты размещения пассажиров" ба
rажа и rрузов, в иаибольшей степени отвечающие условиям эксплуатации.
Как правило, на пассажирских и rрузовых СВП с относительно небольшим
давлением в воздушной подушке площадь палуб и кубатура корпуса до"tта
точиы для размещения rрузов, оборудовани,Я, служебных помещений. Сле
довательио, при проектировании этих судов нет необходимостИ в расчетах
BToporo приближения корректировать водоизмещение и rлавные размерения
в связи с требованиями вместимости.
Это объясняется прежде Bcero специфическим дЛЯ СВП большим зна-
чением отношения общей кубатуры корпуса к водоизмещению. Если дЛЯ
СПК это значеиие, как правило, не превышает qw 4, то дЛЯ СВП qw
9+12.
При проектировании СВП специальноrо назначения со сравнительно
малой площадью палуб выбор rлавных размерений в ряде случаев может
быть связан с учетом требований вместимости. Эскизы общеrо расположения,
выполненные для этих СВП по результатам первоrо приближения, MorYT
служить основанием для уточнения необходимых кубатур и площадей и
сравнения необходимоrо объема с располаrаемым. Располаrаемый объем
(м3) можно определить по компоновочному эскизу общеrо расположения:
W SВПН:т + W p '
(2.36)
222
Отметим некоторые особенности уравнения объемов для СВП CKerOBoro
1'ипа.
Распределение необходимых объемов в располаrаемом объеме корпуса
СВПС в зиачительной мере обусловлено соотношением размеров OCHoBHoro
корпуса и CKerOB. На большинстве СВПС ске и сравнительно узкие, в них
размещены только трансмиссии энерrетическои 'установки и топливиые ци-
стерны. rлавные двиrатели и воздухонаrнетатели на СВПС, как правило,
расположены в основном корпусе, rде также размещены пассажиры и пере-
возимый rруз. l( таким СВПС относятся НМ. 2, SES-100A, SES-100B, 3l(SES
и т. п.
В то же время известны СВПС с довольно широкими скеrами, объем KO
1'орых позволяет разместить в них rлавные двиrатели энерrетической уста-
новки (СВПС типа Airboat), что освобождает основной корпус для лучшеrо
размещения в нем rрузов и пассажиров, а также для расположения там по
мещения воздухонаrнетателей.
Верхнюю часть надстройки СВПС оформляют в виде рубки с KpyroBbIM
обзором, откуда ведут управление судном. Объем надстройки наиболее часто
используют для размещения пассажиров (НМ. 5).
На ранних стадиях проектирования для оценки теоретическоrо значения
располаrаемоrо объема корпуса СВПС удобно использовать следующую
формулу:
W к == бкL (ВН:т ВВПНск),
rде б к коэффициент полноты (заполнения) объема коробчатой формы,
имеющеrо длину L, высоту Н:т и ширину В, а также выемку шириной ВВП
и высотой_ Н ск . Величина б к функция распределения уrлов внешней н
внутреннеи килеватости cKeroB по длине судна, иаклона форштевней cKeroB,
отношения L ВП ! L, коэффициента полиоты верхией палубы судна и друrих
параметров, характеризующих форму корпуса.
Аналоrичное выражение, но при б к 1 было использовано при оценке
массы корпуса СВПС.
Объем корпуса СВПС в некоторых случаях удобно представлять в виде
суммы объемои OCHoBHoro корпуса W o . к и полноrо объема cKeroB W CK ' Тоrда
W к == W o . к + 2W ск,
Преобразуя эту формулу к виду
W к == W o . к ( 1 * 2W ск )
W o . К
и заменяя выражение в скобках коэффициентом kw ,получим
ск
W K == kw CK W О. к'
Таким образом, коэффициент kw 1 + 2 W!W характериз у ет
ск СК о .к .
долю объема корпуса, приходящуюся на скеrи. По значению kw все СВПС
MorYT быть разделены на две rруппы: ск
СВПС С узкими скеrами при kw .::;;; 1,10;
СК
СВПС с широкими скеrами kw > 1,10.
ск
ПОЛНЫЙ объем СВПС определяют по формуле
n
W==WK+ WH'
i 1 i
rде n число ярусов надстройки (рубки).
223
В остальном уравнение объемов СВПС составляют и решают так же,
как и уравнение объемов СВПА.
Расчет необходимых кубатур выполняют в табличной форме. При этом
MorYT быть использованы рекомендации, приведенные в rл. II ч. 1 этой книrи.
t 4. Оптимизация эпементов свп
Под оптимизацией элементов судна понимают выбор та-
Koro их сочетания, при котором судно как инженерное сооружение будет
наиболее полио отвечать требованиям к нему при наименьших затратах на
ero создание и эксплуатацию, т. е. будет обладать экстремальным значением
критерия эффективности.
Наиболее просто задачу оптимизации решают методом рассмотрения
вариантов (или вариантным методом), при котором для каждоrо наиболее
важноrо элемента судна выбирают несколько дискретных точек и находят
поле возможных сочетаний. Так как число вариантов получают большим
(оно равно произведению вариаций всех рассматриваемых элементов), то
при использовании вариантноrо метода можно упростить задачу, введя по-
уровневую оптимизацню (см. 5 rл. II).
В качестве критерия оптимизации можно использовать различные эко-
номические и технико-экономические показатели, характеризующие отно-
шение полезноrо эффекта эксплуатации судна к затратам на ero проектиро-
вание, строительство и эксплуатацию.
Наиболее часто используют следующие показатели:
срок окупаемости капитальных затрат;
чистый rодовой доход;
стоимость решения типовой задачи (для судов специальноrо назначе
ния);
объем работ, выполняемых в результате эксплуатации судна, приходя
щийся на единицу затрат.
Методика расчета технико-экономических показателей подробно из-
ложена в rл. II ч. 1 этой книrи.
Оп р е Д е л е н и е о п т и м а л ь н о r о в а р и а н т а. Как уже
отмечалось, основные элементы оптимальноrо варианта судна MorYT быть
определены на основании cOBMecTHoro решения системы уравнений масс,
мощности (ходкости), остойчивости, мореходности, непотопляемости, BMe
стимости, стоимости, составленных для ряда вариантов и последующеrо
сравнения результатов расчетов этих вариантов по критериям оптимизации.
Разработаны различные способы аналитическоrо и rрафоаналитическоrо
решения системы уравнений. .
Аналитические способы можно использовать в случаях, коrда установ-
лены достаточно строrие математические зависимости всех основных элемен-
тов и параметров СВП и есть возможность составить единое уравнение, свя-
зывающее все элементы и характеристики 'судна. Применяя различные мате-
матические методы решения мноrопараметрических задач оптимизации, можно
найти оптимальное сочетание элементов судна. Аналитические способы по
лучают все более широкое применение при проектировании судов, особенно
в связи с освоением систем автоматизированноrо проектирования.
rрафоаналнтические способы решения системы уравнений более просты
и наrлядны, хотя и требуют больших затрат времени.
Приведем один из возможных способов rрафоаналитическоrо решения
задачи выбора оптимальноrо варианта СВП.
1. Для водоизмещения, оnределенноzо в первом приближении по рнс. 2.1 о,
выбирают три фиксированных значения давления в воздушной подушке,
соответствующие ero нижней и верхней rраницам, а также промежуточному
значению (например, 250; 300; 350 Krc/M 2 ) и три значения относительноrо
удлинения л == Lвп/В вп (например, 2,0; 2,5; 3,0).
2. Для каждоrо из принятых значений давлений в воздушной подушке
строят rрафик cOBMecTHoro решения уравнений масс, мощности, остойчиво-
224
сти, мореходности и вместимости при фиксироваином значении относитель-
Horo удлинения л.
3. На каждом из девяти rрафиков для трех значений водоизмещеиия,
соответствующих, например, 0,75 00; 00 и 1,25 00 (00 водоизмещение по
первому приближению) решают уравнения масс: рассчитывают составляю-
щие наrрузки по формулам (2.12) (2.25) и строят соответствующие кривые
изменения наrрузки масс. Очевидно, что точка пересечения кривой суммы
N W K hзt ЕР
. II Вариант ЗУ
.........,a .........,a.................. ....... ....... ...........
1-12
Н 1
1 Вариаll(п З!..
3С!!. С!!!!'ая }! ope aHocтb
!!.9 '!!Ре{iный 3!. 5ье н-........
корпуса
<:i..
I "'.
I
G 1 &2 &3 &, те
Рис. 2.10. rрафик выбора вариантов (Рвп == Pi' л == л j )
масс с прямой, проведенной из начала координат под уrлом 450, и представ-
ляет rрафическое решение уравнения масс (точка А на рис. 2.10).
4. Для тех же трех условных значений водоизмещения рассчитывают
rлавные размерения по формулам (2.2'), кубатуры корпуса (2.36), высоты
преодолеваемых волн (2.35), мощности энерrетической установки (231)
(2.33), (2.34), предельной высоты корпуса (2.30) и на rрафИке строят OOT:
веТствующие кривые N CT' W к' hз%, Н:т' Одновременно на rрафик наносят
оrраничительные значения этих параметров, определяемые заданными ус"
JlQВИями эксплуатации или результатами расчетов.
8 Заказ М 1856
225
Пересечение кривых hз%' W к' Нт с прямыми, соответствующими orpa-
ничительным значениям, позволяет определить зоны, не отвечающие требо-
l\юiиям задания. .
5. Вариант, полученный в результате решения уравнения масс (точка А
иа рис. 2.10), это вариант минимальноr6 водоизмещеиия СВП при задан-
ном значении давления в воздушной подушке. Но он может не удовлетво-
рять мореходности, вместимости, остойчивости. В этом случае по rрафику
определяют вариант водоизмещения, удовлетворяющий всем требованиям
задания. Например, по rрафику, приведенному на рис. 2.10, видно, что
точке А соответствует вариант, не удовлетворяющий требованиям мореход-
ности, так как h3% меньше высоты, требуемой по заданию.
Для повышения мореходности СВП необходимо увеличить высоту rиб-
ких оrраждений, а следовательно ширину воздушиой подушки И корпуса.
По rрафику также видно, что варианту, отвечающему всем требованиям за-
дания, соответствует точка В. Однако в этом случае нарушается равенство
G Pi' Увеличение размерений корпуса привело при заданном значении
давления в воздушной подушке к тому, что судно может принять дополни-
тельную полезную наrрузку дР 1 , а ero водоизмещение возрастает на значи-
тельно большую величину (a2 a1)'
Возможен случай, коrда вариант, определяемый точкой А или В, со-
ответствует всем требованиям задания, однако «не вписывается» в ряд Мощ-
ностей энерrетических установок. Так, из rрафика, приведенноrо на рис. 2. 10,
видно, что мощность энерrетических установок, необходимая для варианта
А или В, выше мощности N 1 И ниже мощности N 2 ряда мощностей энерrети
ческих установок. Очевидио, что для выполнения требований задания к ско-
рости судна и дальности плавания придется принять на судно уста овку
с мощностью N 2 , ио при этом водоизмещение судна возрастет до G з при росте
полезной наrрузки ДР 2 . "
6. После построения rрафиков cOBMecTHoro решения уравнений масс,
мощИОСТИ энерrетических установок, мореходности, остойчивости, вместимо-
сти для каждоrо из трех принятых значений давления воздуха в подушке
и трех значений относительноrо удлинения можно перейти к построению
сводноrо rрафика вариантов.
На этом rрафике (рис. 2.11) по оси абсцисс откладывают значение дав
ления в воздушной подушке, по оси ординат водоизмещение, суммарную
мощность энерrетической установки и показатели экономической эффектив-
ности (срок окупаемости капитальных затрат, чистый rодовой доход, стои-
мость решения типовой задачи и т. п.). Значения водоизмещения и мощности
энерrетической установки переносят с ранее построенных rрафиков (см.
рис. 2.10), а показатели экономической эффективности рассчитывают, для
каждоrо варианта по зависимостям, приведенным в rл. 11.
На осиовании аиализа сводноrо rрафика можно найти решение, в наи-
большей степени отвечающее критериям оптимизации. Учтем, что в инже-
нерных задачах оптимальное решение не всеrда соответствует математиче-
скому оптимуму.
Например, по рис. 2.11 видно, что кривая стоимости решения задачи
имеет полоrий оптимум, поэтому не обязательно оптимальный вариант вы-
бирать в точке минимума этой кривой, а следует учитывать и друrие факторы.
В этом случае следует принимать во внимание ряд мощностей энерrетических
установок, водоизмещения, первоначальную стоимость постройки. Вероятно,
требованиям оптимальности будет отвечать не одна точка, а диапазон изме-
неиия давлений в заштрихованной зоне. .
Мы рассмотрели лишь один возможный в практике проектирования слу-
чай, коrда четко заданы значения полезной наrрузки, скорости судна и даль
НОСТИ плавания. В этом случае варьируемыми элементами MorYT быть дав-
ление в воздушной подушке, относительное удлинение и тип энерrетической
установки. Возможны друrие случаи, при которых следует найти оптималь-
ное решение при не жестко детерминированном исходном задании. Такие
решения потребуют существенноrо расширения зоны исследования 'при
226
варьировании нескольких параметров. При таких исследованиях можио при-
менять rрафоаиаЛ!fтические способы, однако трудоемкость работы резко
возрастает. Более предпочтительиы аналитические методы, позволяющие.
вести расчеты на ЭВМ.
Расчет BToporo приближения завершается расчетом центровки. Для
этоrо на схематические чертежи СВП наносят все осиовные составляющие
N С С G
,,}
'\1 ё
"2
Л J }
Л2 с'
Л1
,,}
Л2 С
Л1
Н 2 .,}
"2 Н.
Н 1 "J
Р1
Р2
Рз 2.'
Рап, KrC/f1.
Рис. 2.11. Сводный rрафик вариантов
ё СТОИМОСТЬ решення задачи; С СТОНМОСТЬ постройки;
G водоизмещение; N МОЩНОСТЬ энерrетической установки
наrрузки и контур воздушной подушки, после чеrо выполняют расчет от-
стояния центра массы СВП (Xg) и центра приложения сил поддержания (Хп)
от иулевоrо (KopMoBoro) шпанrоута. Отношение Хg/Хп должно находиться
в пределах 0,94 0,98. Если это отношение в результате расчета оказывается
за пределами допустимых значеиий, необходимо изменить компоновку для
обеспечения должной центровки.
После этоrо разрабатывают компоновочные чертежи общеrо располо-
жения, окончательно определяют состав энерrетической установки и вы-
полняют ее привязку, решают вопросы размещения пассажиров и rрузов.
Одновременно уточняют конструктивно-силовую схему СВП, вычерчивают
m
конструктивный мидель-шпанrоут и определяют размещение основных си-
ловых узлов (опоры, рымы для подъема краном).
Расчет mреmьеео приближения выполняют для уточиеиия массы корпус-
иых конструкций.
По разработанным во втором прнблнжении компоиовочным чертежам
общеrо расположеиия, kohCtpykthbho-силовой схеме и конструктнвному
мндель-шпанrоуту СВП выполняют расчет внешних сил для трех случаев:
движение на воздушной подушке прн волнении;
плавание на волнении в водоизмещающем положеннн;
ВЫХод на береr и постановка на опоры.
Для выполнения расчетов предварительно строят ступенчатую кривую
распределения масс СВП. Постановку на подошву волны выполняют по дейст
вующим в судостроении правилам.
Внешние снлы для режима движення иа воздушной подушке иа волие-
нни обычно ВЫчнсляют по методу, основанному на использоваиии экспери
ментальных даииых о вертикальных ускореннях корпуса моделн илн
судна-прототипа. Есть н аналитические методы расчета внешних Harpy.
З0К [37] (см. стр. 296)
'0,15v z v
n цм == g,
01/3 (1 + r;)2/3
rде V z вертикальная скорость СВП относительио водной поверхности
при килевой качке, м/с;
V z
3,94h B 6
+0, ,
YL B
h B , L B высота и длина волны соответственно, м; v скррость СВП, м/с;
(] масса СВП, т; отношение расстояния ЦМ СВП от иосовой оконеч-
иости к продольному раднусу инерцни СВП.
ДЛЯ любоrо промежуточноrо сечеиня корпуса ускореине при ударе
в носовую окоиечиость определяют по зависимостн
(1 ХIХ2 )
n (х 2 ) == n цм + p '
rде Хl расстоянне ЦМ от носовой оконечностн, м; Х 2 расстояние рас-
CMaTpHBaeMoro сечения от ЦМ; ру продольный радиус инерцни масс СВП.
После определения максимальных значений усилнй н характера их
распределения по длине корпуса выполняют расчет перерезывающих снл
и изrнбающих моментов путем численноrо интеrрнрования результирующей
наrрузки.
Еслн по результатам расчета окажется, что напряжения в элементах
корпуса выше допускаемых, надо усилить конструкцию, рассчитать необ
ходимую площадь продольных связей, уточнить массу корпуса и водонзме-
щение.
При проектнровании достаточно широких СВПА, предназначенных для
перевозкн большнх rрузов, необходнмо выполнить контрольный расчет по-
перечной прочности, а также расчет корпуса на кручеиие для случая посадки
на три опоры при выходе иа береr.
В завершение расчетов TpeTbero приближения следует провести КОМ{Iлекс 1
>более точных расчетов по статике и динамике СВП на основе расчетных
и рекомендаций, приведенных в rл. 111 Yl.
228
rлава 111
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ХОДОВЫХ
и МОРЕХОДНЫХ КАЧЕСТВ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СВП
t 5. Поперечная и продольная остойчивость СВП
5.1. Оценка остойчивости СВП
в различных условиях эксплуатации
При проектировании остойчнвость СВП оценивают, рас-
сматрнвая следующие возможные режимы эксплуатации:
плавание СВП в водоизмещающем положении;
висение над водой на воздушной подушке;
процесс подъема СВП на воздушную подушку;
движение над водой на воздушной подушке;
движение над землей с преодолени м различных препятствий (для ма-
лых амфибийных СВП). ._
l(оличественные критерин н характеристнки элементов остоичивостн
СВП в водоизмещающеМ положении аналоrичны количественным .критерням
и характеристикам остойчивости водоизмещающих судов: метацентрнческне
высоты, диаrраммы статической н динамической остойчивости и т. п.
В отличие от плавания СВП в водоизмещающем положении в режиме
движения на воздушной подушке допустимы только сравнительно малые yr
лы наклонения корпуса СВП относительно опорной поверхности: при Ha
рушении этоrо условия появляются значительные аэроrидродинамические
силы, вызывающие нарушение устойчивости д ижения. Поэтому прн рас-
смотрении режима движения СВП на воздушнои подушке.. а та,!<же режима
Бисення СВП делается оценка преимущественно начальнои остоичивости.
При оценке остойчивости СВП в водоизмещающем режиме учитывают
следующие особенности СВП, отличающие их от водоизмещающих судов.
При рассмотрении СВПА учитывают:
малую относительную длину корпуса (Ц в == 1,7+3; У водонзмещаю-
щих судов ЦВ == 5 + 10);
малую относнтельную осадку корпуса (Т/ В == 0,05 + 0,1; у водоизме-
щающих судов Т/В == 0,3 + 0,5).
При рассмотрении СВПС учитывают, что
плавание СВПС с «широкими» скеrами подобно плаванию катамарана
при малом вертикальном клиренсе между днищем OCHoBHoro корпуса и по-
верхностью водЫ, скеrи частично поrружены в воду;
плаваиие СВПС с «узкими» скеrами пронсходит с малой осадКОЙ основ'
Horo корпуса, скеrи полностью поrружены в воду;
высота надводноrо борта СВПС близка к высоте надводноrо борта водо-
измещающих судов, а в ряде случаев превышает ее. .
Эти особенности СВП обеспечивают высокую начальную остоичивость
СВП по сравнению с водоизмещающими судами, что способствует сущест-
вениому снижению уrлов качки этих судов на волненни, поэтому при цeHKe
остойчивости СВП в качестве расчетноrо уrла крена на наветренныи борт
принимаю1' не 25°, как для водоизмещающИХ судов, а 15°. .
Воздействие боковоrо ветра рассчитывают с учетом заданноrо раиона
плавания СВП. При назначении расчетных значений уrла крена и силы ветра
принимают во внимание двоякое действие ветра: во-первых, непосредствеиное
воздействие на борт судна, вызывающее ветровой крен; во-вторых, образова
иие волн, вызывающее качку судна. Расчетн,!IЯ сила ветра превышает силу
ветра, необходимую для создания расчетнои степени развитоrо волнения
229
моря. Такое условное соотношение принято вследствие недостаточной ин-
формации о поведении СВП на волнении. Для уточнения этих данных в каж
дом конкретном случае проектирования целесообразно исследовать качку
судна на модели или воспользоваться соответствующими данными близкоrо
прототипа.
Исследование крена судна под действием ветра, меняющеrо скорость
по высоте, выполненное в работе [52], позволило вывести следующую фор
мулу для расчета плеча BeTpoBoro кренящеrо момента:
lK. М ==
и в 8б (lп 0,5Т) /
G cos 2 8
(3.1)
К.
l(оэффициент К == O,726.10 4.
le, 6
lKP15
1'/
4-
5RNB
G=9,1T
вк=15 0
40
60 еО
20
20
40
Ь 1,75>1,ifО
52
226>14-0
52 1 1
Рис. 3.1. Диаrраммы статической остойчивости СВПА SRN6 и SRN4 в pe
жиме плавания при ветре 28,3 и 33,5 м/с соответственно
Вследствие большой ширины корпуса площадь парусности С!3П увели
чивается при росте уrла крена. OДHa o и при этом условии не наидено опас-
иых комбинаций cOBMecTHoro воздеиствия ветра и качки, поскольку- эти
суда обладают весьма высокой остой ивостью. _
Схема rрафической проверки остоичивости СВП под деиствием BeTpoBoro
кренящеrо момента приведена на рис. 3.1, rде показана _диаrрамма статиче:
ской остойчивости (ДСО) СВП SR N6 и SR N4 с наложеннои на нее диаrраммои
плеч кренящеrо момента (Дl(М). Остойчивость считается достаточнои, если
при таком сопоставлении выполнены следующие условия:
а) плечо кренящеrо момента при равновесном уrле крена 8 р не пр евы-
шает О 6 плеча максимальноrо восстанавливающеrо момента;
б) 'заштрихс,ванная площадь 81 должна быть ,!Ie менее чем на 40%
больше заштрихованной площади 82' оrраниченнои расчетным значением
уrла качки 8 к (15° от положения равновесия).
Аналоrично выполняют проверку остойчивости малых СВП дЛЯ случа.я
подъема значительноrо rруза с борта судна. Поднятый rруз влияет на остои-
чивость двояко: во-первых, он уменьшает плечи восстанавливающих OMeH
тОв вследствие перемещения центра масс вверх; BO BTOpЫX, поднятыи rpy3
вызывает крен судна вследствие прямоrо воздействия кренящеrо момента.
Для единообразия методов оценки в этом случае плечи диаrраммы статиче-
ской остойчивости ДОЛЖНЫ быть откорректированы на смещение центра масс.
230
.вызванное rрузом, подвешенным на конце стрелы (крана). Плечи ДИaI'раммы
плеч кренящеrо момента вычисляют по формуле
Ра
lK. м == cos 8, (3.2)
gG+P
тде Р масса поднимаемоrо rруза, т; а поперечное расстояние от центра
масс судна до конца стрелы, м.
В этом случае остойчивость считается достаточной, если выполнены
.следующие условия:
а) максимальный уrол статическоrо крена 8 р не превышает 15°;
б) плечо диаrраммы плеч кренящеrо момента (Дl(М) в точке 8 р не пре-
вышает 0,6 максимальноrо плеча диаrраммы статнческой остойчивости (ДСО);
в) запас динамической ОСтойчивости (площадь 81 на рис. 3.1) составляет
не менее 40% от полной Площади диаrраммы статической остойчивости.
При проверке достаточности оСтойчивости в случае скопления большоrо
l{оличества людей на одном борту пассажирских СВП вместимостью до 450
пассажиров, плавающИХ при удалении от порта на расстояние не более 100
миль, можно использовать формулировку, приведенную в «l(одексе безопас-
ности для судов с динамическими принципами поддержания» ИМl(О:
«Остойчивость СВПА или СВПС в водоизмещающем положении должна
быть такой, чтобы на тихой Воде без ветра отклонение судна от rоризонтали
не превышало 8° в любом направлении при всех допустимых случаях Har-
rрузки инеконтролируемом перемещении пассажиров. Должен быть произ-
веден расчет динамической ОСтойчнвости в наихудших условиях окружаю-
щей среды».
Важнейшей дЛЯ СВПА является проверка остойчивости при циркуля-
ции в водоизмещающем положении, поскольку на этих судах используют,
как правило, высокорасположенные движители (воздушные винты) и аэро
динамические рули. Плечо кренящеrо момента в этом случае вычисляют
по формуле
1 Yp.M(lp O,5T) 8
к. М == cos ,
Gg
(3.3)
тде У р. м максимальная боковая сила, создаваемая аэродинамическими
рулями, кН.
Остойчивость считается достаточной, если в этом случае выполнены
следующие условия:
а) уrол установившеrося крена на циркуляции не превышает 15°;
б) плечо диаrраммы плеч кренящих моментов в точке равновесия не
превышает 0,6 от максимальноrо плеча диаrраммы статической остойчиво-
сти;
в) запас динамической остойчивости (площадь 81 на рис. 3.1) составляет
не менее 40% от полной площади диаrраммы статической остойчивости.
В этом случае требования к плечу кренящеrо момента и запасу динами-
ческой остойчивости составлены с учетом возможных порывов ветра и качки
судна на волнении, а также с учетом возможных поrрешиостей вычислений.
Остойчивость СВП, как и остойчивость водоизмещающих судов, прове
ряют для случая обледенения высокорасположенных частей. Проект судна
призиается удовлетворительным, если допустимая скорость ветра при на-
личии слоя Льда на открытой палубе и вертикальных и rоризонтальных по-
верхностях, расположенных выше нее, а также при качке судна на волнении,
превышает допустимую скорость ветра, принятую для заданноrо района пла-
вания судна. В расчетах рассматривают два варианта толщины слоя льда:
76 и 152 мм при удельном объеме льда 1,13 м 3 /т.
При расчете обледенения СВП прибрежноrо плаваиия соrласио «l(одексу
безопасности для судов с динамическими принципами поддержания» ИМl(О
на всех открытых rоризонтальных поверхностях (палубе, крыше рубки
и т. п.) предполаrается слой льда массой 30 Kr/M 2 , а на всей боковой площадк
231
вертикальных поверхностей слой льда массой 15 Kr/M2. Обледенение ча
стей paHroYTa, поручней, такелажа и т. п. учитывают, увеличивая на 5%
массу льда, ПрИХОДящеrося на упомянутые вертикальные поверхности, и на
10% момент этой массы.
При определении остойчивости судов, плавающих в районах, rде Bepo
ятность обледенения низка, принимают половину этой нормы.
Во всеХ случаях расчета обледенения учитывают продолжительность
рейса (время нарастания слоя льда), нормы потребления топлива, воды и
друrих судовых запасов во время рейса.
Режим висения на воздушной подушке над водой без хода xapaKTep
ный расчетный режим эксплуатации СВП и аналоrии с режимами эксплуа.
То m о 7,б2Н
1
SR Nб
f--.
II <:j Т< То
<:j
'->
<::>
III if 5 б 7 8
в
тх ,Н
lV
нении водоизмещения правоrо и левоrо cKeroB при поперечном наклонении
судна или изменением положения центра величины cKeroB при продольном
наклон;нии. Момент от воздушной подушки у СВПС, как правило, опрокиды-
вающии, но он незначителен по величине.
Начальные поперечную и продольную метацентрические высоты опреде
ляют по формулам
т х е == дМе I "
де e o Gg (3.4)
\j) aM\j) I 1
ту \j) \j)o Gg ,
(3.5)
V
["де т , т: начальные метацентрические высоты, м; дМ е , aM\j) прира
щение восстанавливающеrо момента, кНм; де, a\jJ приращение уrла крена
(дифферента), рад; 'Ро равновесный уrол дифферента, rрад.
Для сопоставления начальной остойчивости СВП различных типов на-
чальные метацентрические высоты выражают в безразмерной форме:
e е
т х == тxfВвп; (3.6)
\j) \j)
ту == ту/L вп . (3.7)
На основе анализа опыта эксплуатации СВП установлено, что минималь-
ные значения безразмерных начальных метацентрических высот при закреп-
лeHии судна на уровне центра масс швартовами (а не при свободном дрейфе)
составляют
для СВПА:
e '.
тx 0,ao.....o,40,
m: o,90 + 1,00;
(3.8)
.для СВПС:
e
тx O,50,
\j)
тy 1,0..;-.1,5.
(3.9)
Рис. 3.2. Изменение статической остойчивости СВПА SRN6 при
подъеме на воздушную подушку
Режимы: 1 плаванне: 1 1 начало подъема; 111 отрыв корпуса от
воды; 1 V отрыв rнбкоrо ресивера от воды; V висенне на воздушной
подушке прн расчетной высоте подъема
В практике анrлийскоrо судостроения используют несколько друrие
нормативы:
дЛЯ СВПА: m э == 0,6 + 1,2, m: э === 1,2..;-.2,4 (над экраном);
дЛЯ СВПС (НМ.2): т === 0,36; т : === 0,69.
Фактически СВПА SR N6 имеет m === 0,41, а при создании малых экс-
периментальных СВПА допускается значение m до 0,15 в диапазоне малых
уrлов, но при условии возрастания этих значений при увеличении действую
щих уrлов Крена. .
В практике проектирования СВП используют также и более приближен
вые косвенные оценки остойчивости, рассмотренные в rл. П.
ДЛЯ СВПС условием обеспечения достаточной остойчивости служит от-
ношение ширины cKera В ск к ВВП' выбираемое в зависимости от относитель
Horo удлинения воздушной подушки (рис. 3.3).
Остойчивость СВП, равномерно и прямолинейно ДВИЖущеrося по по
верхности тихой rлубокой воды, изменяется в зависимости от скорости судна.
При этом также наблюдаются существенные различия в характере изменения
QСТОЙЧИВОСТИ СВПА и СВПС в зависимости от скорости судна и во взаимо-
Влиянии сил., обеспечивающих создание восстанавливающеrо момента.
Исследования показали, что с ростом скорости судна деформация по-
Верхности воды, вызванная давлением на нее воздушной подушки, умень-
шается и в пределе может полностью исчезнуть. Иными словами, при воз
растании СКОРDСТИ СВП опорная поверхность под ним (вода) как бы «ужесто
чается» и при достаточно высокой скорости «превращается» В жесткий экр ан,
тации водоизмещающих судов не имеет. В этом режиме наблюдаются заметные
качественные различия физических явлений, связанных с обеспечением остой-
чивости СВПА и СВПС:
1) остойчивость СВПА при ero подъеме на воздушную подушку из ре-
жима плавания сначала с ростом расхода воздуха заметно снижается (в ряде
случаев до нуля рис. 3.2), а затем возрастает. В противоположность этому
остойчивость СВПС с ростом расхода воздуха неуклонно снижается;
2) при изменении уrла наклонения СВПА восстанавливающий момент
практически целиком обеспечивается в результате изменения давления в сек-
циях воздушной подушки. С этой целью воздушную подушку разделяют про
дольными и поперечными надувными секционирующими оrраждениями (ки-
лями) или проектируют в виде системы rибких колец (рис. 3.6, 3.7).
В отличие от этоrо восстанавливающиЙ момент у СВПС в режиме висения
обеспечивается разностью rидростатических сил, образующейся при изме.
232
233
а остойчивость СВПА, если при этом отвлечься от ряда явлеиий, сопутствуlO
щих высокой скорости СВП (<<затяrивание» под корпус или «подлом» rибкоrо-
оrраждения, перераспределение давлений в воздушной подушке и т. п.),
возрастает, достиrая предельноrо значения, соответствующеrо ОСТОЙЧИВОСТII
в режиме висеиия над экраном.
8 ск /В вп
0,25
0,2
" Турист"
((
" rорькобчанuн
" I
" РассВет
0,15
......... "Орион
0,1
0,05
б
7 8
Ьвп / Ввп
Рис. 3.3. Зависимость отиошения В ск / Ввп от удлииения воз-
душной подушки
Звездочкой отмечена предварительиая про работка
Зависимость начальной поперечной остойчивости СВПА
суди а можно приближенно выразить формулой
e [( e e ) ( e e ) n FrL ]
mxv :::::; 0,5 m хз + т х m хз т х cos ,
4,5
ОТ скорости
( 3.10)
234
rде m з безразмерная начальная поперечная метацентрическая высота
Б режиме висеиия СВПА над экраном; FrL число Фруда, равное
tI
Fr L == V
gL вп
Практически большинство современных СВПА не достиrает скорости,
соответствующей FrL == 4,5. Из-за опасности «затяrивания» rибкоrо оrраж-
дения ВОЗ)IУШНОЙ подушки под корпус СВП и последствий «затяrиваиия»
(нарушение устойчивости движения, опрокидывание судна) скорость даже
самых крупиых СВПА не превышает 70 уз. Учитывая, кроме Toro, что в ряде
2
(j
т хи
т ХВ
f
J
О 0,5 1,0 7,5
FpL,
Рис. 3.4. Зависимость поперечной метацентрической вы-
соты СВПС от скорости судна
1 свпс с относительио широкими rлиссирующими CKeraMH [6];
2 свпс со скеrами большой килеватостн, на которых ие об-
разуются значительные rидродинамнческие силы поддержання;
3 свпс со скеrами. имеющнми криволииейные выпуклые об-
воды, похожие на обводы корпуса быстроходноrо водоизмещаю-
щеrо судна
случаев при скорости СВ ПА, соответствующей «rорбу» сопротивления, иа-
блюдается не увеличение, а даже, наоборот, некоторое снижеиие остойчиво
сти, можно пр ии ять остойчивость практически постоянной в пределах экс-
плуатационных скоростей судна.
ОСтойчивость в режиме движения СВПС определяется взаимовлия.нием
еще более разнородных сил, чем на СВПА. К аэроrидродинамическим си лам
взаимодействия воздушной подушки с водой в этом случае добавля ются
rидростатические и rидродинамические силы, действующие на скеrи. Всл едст-
вие более резкоrо изменения действующих сил остойчивость СВПС изме-
няется в зависимости от скорости ero движения в более широких пределах,
чем на СВПА.
В качестве примера приведены кривые зависимости начальной попереч
ной метацентрической высоты трех СВПС различных типов от скорости их
ДВижения (рис. 3.4). По рисунку видно, что при крене на ходу СВПС с вы-
пуклыми обводами cKeroB возможно появление опрокидывающеrо моме нта
БследСТвие разрежения на поrруженном в воду CKere, поэтому такие обводы
при проектировании СВПС не используются.
235
Mx М хВП + М б + Mxa М КР Me М КР O.
В этих уравнениях:
у ш, ZШ сила сопротивления боковому дрейфу С.ВП или реакция связи,
удерживающей СВП от rоризонтальных перемещении при крене, и аппликата
точки приложения ее к судну соответственно; Рб, Zб боковая сила pe
акция струи воздуха, вытекающей из области повышенноrо давл:ния при
наклонении СВП, и аппликата ее в связанной с судном координатнои системе
соответствен н о;
(3.13)
ниях путем расчета РВПi (hд при фиксированном 8. С этой целью рассчиты.
вают ряд значений РВПi при иескольких значениях высоты подъема, и ре-
шают каждый раз систему уравнений неразрывности потока в подъемной
системе. Таким образом находят высоту подъема hB, при которой удовлетво
ряется уравнение вертикальных сил.
Результаты расчетов и экспериментальные данные свидетельствуют о
том, что средняя высота подъема СВП, как правило, имеет максимальное
значение при 8 О и при увеличении уrла крена она уменьшается. Отклоие-
ния от этоrо соотношения наблюдаются только при малой отиосительиой
наrрузке G 15 и то в оrраииченной области зиачений 8. Получеиные при
этом значения расхода воздуха через различиые участки оrраждеиий Воз-
душной подушки используют для определения реактивиой rоризоитальиой
силы Рб по формуле (3.13) как проекции вектора количества движения струй,
растекающихся из области повышенноrо давлеиия, на ocь OY
Р б ПР ауР А f vJdzdл к . (3.14)
'it h j
Таким образом находят составляющие восстаиавливающеrо момента,
который соrласно уравнению (3.15) равен
Ме РВП iSiYi + Р б (Zш + zб) cos 8 gGz g sine. (3.15)
i
Расчет заканчивают определением поперечной начальиой метацентри
ческой высоты по формулам (3.4) и (3.6).
Аналоrичиый расчет можно выполнить для определения зависимости
продольноrо восстаиавливающеrо момента от уrла диффереита -ф и продоль
ной начальной метацентрической высоты m ' В этом случае меняются лишь
обозначеиия.
Рассмотрим подробиее заВисимость Рб (8) н аналоrичиую зависимость
Р пр (-ф). Поскольку реактивные силы являются фуикциями количества дви
жени$! воздушиых струй, т. е. потока, создаваемоrо подъемной системой
СВП, их зиачения не MorYT превышать предельных, определяемых расходом
Q и давлеиием в ресивере Рр. Верхнюю rраницу Рб и Р пр можио определить
по следующему выражению при условии, что весь воздушный поток направ
лен в одну стороиу:
5.2. Приближенная расчетная оценка
статической остойчивости СВП
5.2.1. СВПА. Висеиие над экраиом. Расчетная оценка
поперечной и продольной статической остойчивости u свп. может быть вы-
полнена на основе оценки ее характеристик начальнои остоичивости в режиме
висения судна над водой. Однако из-за сложности и r.ромоздкости прямоr(}
расчета остойчивости СВПА в режим.е висения Ha водои целесообразно пред-
варительно выполнить более простои расчет остоичивости над жестким экра-
ном, а затем, пользуясь простыми формулами,. приведенными в книrе [6 J,
перейти к оценке остойчивости судна над водои. u
В режиме висения СВП над экраном при секционировании воздушно\J.
подушки для создания восстанавливающеrо момента от наклонеиий СВП
в каждой секции давление и расход воздуха изменяются в зависимости 01'
среднеrо расстояния секции от экрана.
Количественные характеристики изменения давления и раС150да в зави-
симости от высоты подъема зависят от типа оrраждения воздушнои подушки,
параметров работы подъемной системы и rидравлической взаимосвязи между
секциями воздушной подушки.
На изменение давления в секциях при наклонении СВПА влияют такж
друrие параметры подъемной системы (конструктивная схема .подъемнои
системы, расходно-напорная характеристика воздухонаrнетателеи и т. п.).
Уравнеиия равновесия СВПА:
у Р б У ш О;
Z РВПiSi gG О;
i
(3. 11)
(3.12}
e М х ВП + Мб + М ха;
М ха gGz g sin 8;
МхВП момент, обусловлениый перераспределением давлений по ВОЗДУШIfОЙ!
подушке,
Рб Рб/gG 1,60Q.
Принимая приведенные в 6.5 Значения Q, получаем оценку рб
Рб 0,05.
(з.1.6)
(3.17)
МхВП РВПiSiУi;
i
Мб.... момент, обусловленный действием rоризонтальной реакции
Мб Рб (zш + zб) cos 8.
Уравнения MorYT быть разрешены относительно Мв М кр , если пред-
варительно определены зависимости РВПi (8), Р б (8) и Zб (8).
Для определения РВПt (8) используют: уравиение (3.12), уравнение не-
разрывности потока в подъемной системе, характеристики периферийноr(}
и секционирующих оrраждений и расходно напорную хаеактеристику подъем:
ной системы Н (Q), а также уравнение кинематическои связи перемещении.
различных точек корпуса и оrраждения СВП при изменении уrлов крена и.
высоты подъема СВП.
Нелинейность характеристик оrраждений и воздухонаrнетателей за-
ставляет искать положение равновесия СВП при вертикальных перемеще-
Расчеты и эксперименты показывают, что Рб достиrает максимальноrо зна-
чения при уrле крена 20 8 80, а затем уменьшается по мере роста уrла
крена.
Вследствие малости Величины Рб учитывать ее влияние иа восстаиавли
вающий момент можно весьма приближенио. Обычно при испытаииях СВП
или моделей их крепят rибкими связями, расположенными на уровне центра
масс судиа. Поэтому можно считать Zш;:::О Zg. Значение Zб в этом случае при-
ближенно определиют следующим образом:
zб ;:::о 0,5 (he О,5Ввп sin 8 hrocos 8). (3.18)
При таком подходе не учитываются деформации rибких оrраждений, вызы-
ваемые измеиеииями давления в секциях воздушиой подушки.
Результаты расчетов, выполненных по рассмотреиной схеме, хорошо
сходятся с экспериментальиыми данными в случае, если rибкие оrраждения
не деформируются при наклонении судна. Если rибкие оrраждения обладают
высокой способностью к деформациям, то часть rибкоrо оrраждеиия, кон-
тактирующую с опориой поверхностью, считают бесконечно rибкой, а часть,
236
237