Проектирование теоретического чертежа судна
Подготовительные работы
Проектные решения, касающиеся формы корпуса, выражаются в построении теоретического чертежа.
При построении теоретического чертежа необходимо учитывать весь комплекс вопросов, связанных с влиянием формы судна на его мореходные и эксплуатационные качества.
Перед началом работ по проектированию линий теоретического чертежа должны быть выбраны следующие характеристики и определены особенности формы корпуса судна:
1.Главные размерения - длина L, ширина В, высота борта Н и осадка Т.
2.Коэффициенты полноты – общей полноты δ, полноты площади ватерлинии α и полноты площади мидель-шпангоута β.
3. Абсцисса центра величины xc.
4. Длина и положение цилиндрической вставки lцв.
5. Форма шпангоутов в средней части длины судна.
6. Форма носовой и кормовой оконечностей.
7. Форма седловатости верхней палубы.
8. Размеры и форма надстроек на верхней палубе.
Численные значения характеристик формы корпуса, касающихся подводной части судна, являются основой создаваемого теоретического чертежа и подлежат безусловной реализации, так как связаны с расчетным водоизмещением D и требованиями эксплуатационного характера (удифферентовкой, вместимостью и т.п.) Особенности формы подводной части судна назначаются проектантом на основе общих закономерностей, известных из теоретических исследований и опыта эксплуатации. То же касается и формы надводной части судна.
Основные способы выбора параметров формы корпуса, упомянутых в первых четырех пунктах, изложены ранее.
Форма шпангоутов в средней части длины.
Большинство транспортных судов имеет горизонтальное днище (без килеватости) и вертикальные борта в средней части длины судна. Такая форма корпуса создает благоприятные условия для размещения груза и упрощает технологию постройки. Переход вертикальной линии борта в горизонтальную линию днища называется скулой (рисунок 47). Обычно линия скулы выполняется по дуге окружности. Радиус окружности можно геометрически связать с шириной В, осадкой Т и коэффициентом полноты площади мидель-шпангоута β следующей зависимостью:
R = [2,32ВТ(1-β)]1/2
Рис. 47. Форма скулы.
Форма носовой и кормовой оконечностей.
Формы носовой и кормовой оконечностей судна проектируют исходя из условий снижения сопротивления, а также обеспечения мореходности на морском волнении (носовые обводы) и наилучших условий взаимодействия корпуса и движителя (кормовые обводы). При проектировании обводов оконечностей следует учитывать соотношение между составляющими остаточного сопротивления и какая из них (волновое сопротивление или сопротивление формы) может быть снижена в конкретном случае за счет надлежащего выбора формы корпуса.
При заданных соотношениях главных размерений и коэффициентах полноты в ходе проектирования теоретического чертежа возможны существенные изменения форм обводов корпуса, оказывающих значительное влияние на мореходные качества судна.
Форма носовой оконечности описывается формами ватерлиний, шпангоутов и форштевня.
Различают следующие формы ватерлиний: выпуклые, прямолинейные и вогнутые (рисунок 48):
Рис. 48. Формы ватерлиний.
При проектировании судов, плавающих при числах Fr, соответствующих быстроходным судам, для уменьшения волнового сопротивления выгодно заострять ватерлинии, что приводит к прямолинейной или слегка вогнутой формам.
На очень полных судах (δ > 0,80) практически невозможно в достаточной степени заострить грузовую ватерлинию без резкого перехода к цилиндрической вставке, нарушающего плавность обтекания. Поэтому для таких судов (Fr< 0,15) применяют выпуклые ватерлинии, что, однако, не приводит к заметному росту волнового сопротивления.
Форма шпангоутов в носовой части судна должна геометрически согласовываться с формой ватерлиний. Различают U-образную и V-образную формы шпангоутов (рисунок 49).
V-образная форма лучше согласуется с выпуклыми ватерлиниями. Однако для больших судов в условиях волнения V-образная форма создает дополнительное сопротивление. Поэтому на таких судах применяют умеренно U-образную форму носовых шпангоутов.
Рис. 49. Форма шпангоутов.
На современных судах форштевень в надводной части делают прямым или вогнутым наклонным (рисунок 50).
Рис. 50. Форма форштевня.
Наклонный или вогнутый форштевень хорошо согласуется со значительным развалом носовых шпангоутов в надводной части корпуса, обеспечивающим защиту носовой части палубы от заливания.
С середины ХХ века на транспортных судах широко применяется бульбообразная наделка (бульб) в носовой оконечности. Предложено много различных форм бульбов. Но до сих пор не существует общепризнанной методики расчета оптимальных параметров бульба. Как правило, окончательная его форма определяется в результате модельного эксперимента.
Наиболее общими характеристиками бульба являются его длина lб и площадь его поперечного сечения на нулевом теоретическом шпангоуте sб, выраженная в долях от площади мидель-шпангоута (рисунок 51).
Рис. 51. Параметры формы носового бульба.
При проектировании кормовой оконечности стараются предотвратить отрыв пограничного слоя для уменьшения сопротивления формы. По этой причине не применяют ватерлинии вогнутой формы, угол кормового заострения КВЛ стараются удержать в пределах до 300 .
Форма кормовых шпангоутов оказывает влияние и на пропульсивный коэффициент. По результатам совокупного влияния на ходкость одновинтовых судов предпочтение отдают умеренно U-образным шпангоутам (рисунок 49). У двухвинтовых судов лучшие результаты получаются при V-образных шпангоутах.
Обводы крейсерской кормы, принятой у современных морских судов, отличаются видами подводной и надводной частей.
Различают два вида подводной части крейсерской кормы: открытую и закрытую (рисунок 52).
Большинство современный судов имеет корму открытого типа, обеспе- чивающую лучшее взаимодействие корпуса и движителя. Закрытая корма применяется на судах, требующих дополнительной опоры в нижней части пера руля (например, на некоторых судах ледового плавания).
открытая корма закрытая корма
Рис. 52. Форма кормы.
В надводной части крейсерская корма имеет транец, не влияющий на гидродинамику обтекания водой кормовой оконечности, но существенно
упрощающий технологию постройки судна и, дополнительно, позволяющий увеличить площадь верхней палубы, необходимой для размещения швартовного оборудования и спасательных средств (рисунок 53).
Рис. 53. Транец в надводной части крейсерской кормы.
Седловатость верхней палубы.
Как упоминалось ранее, седловатость может придаваться верхней палубе для обеспечения непотопляемости и незаливаемости. Форма седловатости описывается видом линии - диаметрали, образующейся при пересечении верхней палубы с диаметральной плоскостью. Традиционный вид диаметрали – некая кривая, образованная с учетом требований мореходных качеств и технической эстетики, так как оказывает существенное влияние на боковой вид судна.
Однако продольная кривизна верхней палубы может создавать неудобства для эксплуатации судна. Наклонное, не горизонтальное расположение палуб надстройки затрудняет быт экипажа и пассажиров. Изгиб верхней палубы в районе грузовой части судна затрудняет размещение палубного груза.
С учетом вышесказанного, при выборе формы корпуса стараются, если возможно, полностью отказаться от седловатости. Если же применение седловатости необходимо, то с целью упрощения технологии постройки судна к сведению к минимуму негативных последствий продольного наклона палуб, криволинейную седловатость заменяют ломаной линией. Примеры таких замен представлены на рисунке 54.
Рис. 54. Примеры выполнения седловатости на транспортном судне.
Форма и размеры надстроек на верхней палубе
Перед началом разработки теоретического чертежа необходимо принять решение о том, каким образом обеспечить минимальную заливаемость и забрызгиваемость верхней палубы.
Опыт эксплуатации судов в штормовых условиях показывает, что наиболее заливаемый район верхней палубы – 1/5 – 1/4 длины судна от носовой оконечности.
На заливаемость влияет совокупность следующих факторов:
- форма подводной части носовой оконечности, обеспечивающая её всплытие при встрече с волной;
- высота надводного борта с учетом седловатости;
- форма (развал) носовых шпангоутов выше ватерлинии;
- высота и протяженность носовой надстройки – бака.
Форма подводной части носовой оконечности выбирается исходя из соображений ходкости и килевой качки и при рассмотрении вопроса незаливаемости обычно принимается как заданная. Поэтому для обеспечения незаливаемости следует учитывать комбинацию трех последних факторов.
За исключением очень крупных транспортных судов – контейнеровозов, танкеров и навалочных судов – остальные вынуждены иметь бак для уменьшения заливаемости и забрызгиваемости при плавании на встречном волнении.
Основная задача проектанта теоретического чертежа при решении этой задачи – обеспечить наибольшее перекрытие ширины судна торцевой переборкой бака. Желательно, чтобы торцевая переборка бака полностью или почти полностью перекрывала ширину судна на уровне верхней палубы.
При фиксированной форме развала шпангоутов это зависит от длины бака. На рисунке 55 торцевая переборка короткого бака перекрывает только около половины ширины судна. Такой бак не будет защищать в достаточной степени верхнюю палубу от заливания при подходе встречной волны.
Рис. 55. Влияние длины бака на защиту верхней палубы от заливания.
Увеличение длины бака (удлиненный бак) позволяет практически полностью перекрыть ширину судна.
Увеличению перекроя ширины судна торцевой переборкой бака может также способствовать увеличение развала шпангоутов и высоты бака.
При решении вопросов обеспечения мореходности необходимо учитывать и ограничения, связанные с длиной бака, его высотой и развалом шпангоутов.
Длина бака может быть ограничена расположением таких конструкций на верхней палубе, как грузовые люки над носовым трюмом на сухогрузном судне.
Форма развала шпангоутов выше КВЛ геометрически связана с формой КВЛ в носовой части судна. Чрезмерный развал носовых шпангоутов может приводить к сильным ударам волн при плавании на встречном косом волнении.
Высота бака влияет на защиту носовой части от заливания и может достигать 3-х метров и более. Единственное ограничение, которое может возникнуть при значительной высоте бака – нормируемая Правилами протяженность зоны невидимости из рулевой рубки, иногда зависящая именно от высоты бака (рисунок 56).
Рис. 56. Зона невидимости, создаваемая баком.