Суда на подводных крыльях

 

Суда на подводных крыльях еще можно встретить почти на каждой реке, водохранилище и на море. Это — пассажирские теплоходы,  служебно-разъездные катера, моторные лодки, конструкции которых разрабатывают сами судоводители. 

    Быстроходность судов на подводных крыльях достигается главным образом благодаря уменьшению сопротивления воды движению корпуса судна. У таких судов корпус при движении не касается водной поверхности. Происходит это в результате действия подъемной силы крыльев, укрепленных под корпусом, которая во время хода поднимает судно над водой и удерживает его в таком состоянии до тех пор, пока судно движется с достаточной скоростью. Поскольку при этом в воде находятся лишь крылья, стойки, гребной вал и винт, а их суммарная площадь значительно меньше площади корпуса, то и сопротивление воды движению судна будет значительно меньшем.

Принцип действия подводного крыла можно рассмотреть на схеме (рис. 9). При движении в воде любого тела на него действует сила сопротивления воды R, направленная в сторону, противоположную движению.

Поскольку профиль крыла имеет несимметричную форму и к тому же при движении судна крыло расположено по отношению к потоку под некоторым углом а, называемым углом атаки, то полная сила R, действующая на крыло, отклонится от направления движения и будет направлена по отношению к нему под углом. Эту силу можно разложить на две составляющие: перпендикулярную направлению движения Y и параллельную направлению движения X. Составляющая Y называется подъемной силой, так как она стремится поднять крыло. Составляющая X называется лобовым сопротивлением, ибо она противодействует поступательному движению крыла. Возникновение подъемной силы связано с образованием около крыла циркуляционного потока, который, накладываясь на основной поток, ускоряет движение воды над крылом и замедляет под крылом. В связи с этим, согласно закону Бернулли, над крылом, где скорость потока увеличена, давление понижается, а под крылом, где скорость потока уменьшена, возрастает.

Чем больше скорость набегающего потока, тем больше будут подъемная сила и лобовое сопротивление. Эти силы зависят также от формы профиля крыла и от угла атаки.  С увеличением угла атаки а подъемная сила сначала возрастает и при некотором значении, называемом критическим углом атаки акр, достигает максимального значения. При дальнейшем увеличении а подъемная сила уменьшается, что связано с отрывом потока от верхней поверхности крыла. Сила лобового сопротивления с увеличением угла атаки непрерывно растет.

Рис 9 Силы, действующие на профиль крыла

При малом угле атаки подводного крыла судно не сможет выйти на крылья из-за недостаточного значения подъемной силы, а при завышенном угле атаки — из-за большого лобового сопротивления.

Совершенство крыла принято оценивать величиной, называемой качеством крыла и представляющей отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению.

Обычно целесообразные скорости судов водоизмещением 0,5— 2 т, оборудованных подводными крыльями, находятся в пределах 40—70 км/ч. При скорости судна ниже 40 км/ч крыльевое устройство получается очень громоздким и тяжелым; при скоростях свыше 70 км/ч на крыльях возникает явление кавитации, движение становится неустойчивым.

В крыльевом режиме масса судна воспринимается подъемной силой носового и кормового крыльев, причем нагрузка чаще всего распределяется между ними поровну. Для исключения отрицательного влияния носового крыла на кормовое расстояние между ними должно быть не менее 12—15 хорд крыла.

На малых судах применяют различные системы подводных крыльев, наиболее распространенные из которых показаны на рис. 10. Преимущественное распространение из них для речных судов получили малопогруженные подводные крылья. Глубина погружения носового крыла такой конструкции составляет 15—20% его хорды, кормового — 20—25%, высота подъема корпуса небольших катеров над водой — 0,1 —0,5 м при ходовом дифференте на корму в 1,5—2,5°.

Малопогруженное крыло (рис. 10, а) имеет высокое гидродинамическое качество, поэтому необходимая подъемная сила обеспечивается при сравнительно малых его площадях. Существенным недостатком такого крыла, однако, является низкая мореходность: на волнении крылья могут оголяться, отчего происходят жесткие удары, так как в контакт с водой вступает сразу вся площадь крыла. На волнении судно с малопогруженными крыльями испытывает сильные колебания и часто срывается с крыльевого режима.

Мореходность судов на малопогруженных крыльях частично может быть повышена путем установки дополнительных несущих элементов, закрепленных под основным носовым крылом (рис. 10, б), расположения килевого участка —«чайки» в средней части крыла (рис.-10, в), дополнительных плоскостей на стойках крыла. 

Рис 10 Схемы подводных крыльев, применяемых на маломерных моторных судах: а — малопогруженное крыло, б — крыло с дополнительным элементом, в — «чайка», г -крыло, пересекающее поверхность воды, д — трапециевидное крыло со стабилизаторами, е разрезное крыло

Недостатком в первых двух случаях является увеличение габаритной осадки судна в режиме плавания; в третьем — возрастание сопротивления из-за «замыкания» дополнительных плоскостей на ходу, к тому же эта схема не устраняет «проваливания» крыла при сходе с волны.

Пересекающие поверхность воды крылья (рис. 10, г, д) обеспечивают более высокие мореходные качества и, кроме того, обладают свойством саморегулирования при изменении нагрузки в широком диапазоне. Стабилизация движения осуществляется в результате изменения погруженной площади крыла. Вследствие большого погружения эти крылья меньше подвержены волновым возмущениям, затухающим с увеличением глубины. Подъемная сила на пересекающих поверхность воды крыльях в условиях волнения изменяется плавно, без потери устойчивости. Благодаря наклонным частям крыла судно обладает повышенной остойчивостью — при крене этот участок входит в воду и создаваемая на нем подъемная сила восстанавливает судно в прямое положение.для улучшения мореходных качеств судно может быть оборудовано разными типами подводных крыльев. Например, носовое крыло делают пересекающим поверхность воды, а кормовое — в виде плоского малопогруженного крыла.

В практике мелкого судостроения имеют распространение также разрезные носовые крылья (рис. 10, е), которые легко сделать складывающимися. Следует отметить, что гидродинамическое качество такого крыла несколько ниже, чем сплошного, поэтому для получения той же скорости требуется несколько большая мощность двигателя.