Характеристики формы судна. Строевые. Смоченная поверхность

Обеспечение ходкости при проектировании

При определении основных элементов проектируемого судна, а также при их корректировке, производимой для улучшения каких-либо характеристик, необходимо учитывать взаимосвязь элементов судна с его ходовыми характеристиками. Обычно задача ставится следующим образом – выбрать элементы судна, обеспечивающие при прочих равных условиях минимальную потребную мощность СЭУ. Для выполнения этих требований, необходимо учесть сопротивление движению судна, действие его движителя и взаимодействие системы КДД – «корпус, двигатель, движитель».

Детальным исследованием этих вопросов занимается гидромеханика и теория корабля, а в ТПС используются основные положения этих исследований с акцентом на физической стороне рассматриваемых явлений. Это позволяет выявить взаимосвязь элементов судна с величинами, характеризующими его пропульсивные качества, опуская частные вопросы существенные с точки зрения гидромеханики, но менее важные для ТПС.

Закономерности, связывающие величину сопротивления движения и элементы судна, отличны в разных диапазонах чисел Фруда Fr.

.

где υ – скорость судна, м/с, g – ускорение свободного падения.

Выделяется три категории судов, соответствующих различным диапазонам Fr: тихоходные суда с Fr ≤ 0,25, среднескоростные с Fr = 0,25 – 0,35 и быстроходные с Fr >0,35. Для современных судов характерными являются следующие значения Fr:

- универсальные сухогрузные суда 0,17 – 0,26

- танкеры и балкеры 0,13 – 0,22

- пассажирские суда и паромы 0,23 – 0,35

- буксиры и промысловые суда 0,25 – 0,35

- корабли 0,25 – 0,60

Уменьшение Fr для танкеров и балкеров обусловлено увеличением их размеров по сравнению с сухогрузами. Теми же причинами, но с обратным знаком обусловлено увеличение Fr для буксиров и промысловых судов. У пассажирских судов и боевых кораблей причиной роста Fr является значительное увеличение скорости хода.

Характеристики формы судна. Строевые. Смоченная поверхность

Наиболее общей графической характеристикой формы судна является теоретический чертеж. По нему можно изготовить модель судна, испытания которой дадут возможность проверить расчетное значение сопротивления.

Другими графическими характеристиками формы корпуса являются строевая по шпангоутам и строевая по ватерлиниям. Обе эти кривые основываются на теоретическом чертеже. Строевая по ВЛ характеризует распределение объемов по высоте, а строевая по шпангоутам – по длине судна (рис. 2). Кроме этого строевые отражают ряд особенностей ТЧ, связанных с ходкостью.

Площадь заключенная между осью абсцисс и обводом строевой по шпангоутам (осью ординат и обводом строевой по ВЛ) дает объемное водоизмещение судна V, ординаты строевой по шпангоутам – площади шпангоутов ω_i (абсциссы строевой по ВЛ – площади ВЛ S_i). Кроме этого положение центра площади строевой по шпангоутам характеризует абсциссу ЦВ судна х_с. Коэффициент полноты строевой по шпангоутам равен φ, строевой по ВЛ – χ.

Рис. 32. Строевая по шпангоутам и строевая по ватерлиниям

Строевую по шпангоутам часто заменяют кривой средних ординат шпангоутов (средней ВЛ). Ординаты этой кривой получаются в результате деления ординат строевой на удвоенную осадку:

y_{i ср} = ω_i /2Т.

Поскольку

,

ординаты средней ВЛ y_{i ср} являются средними ординатами всех ВЛ на данном шпангоуте. Средняя ВЛ, так же как и строевая по шпангоутам, имеет сходство с ватерлиниями данного судна, что объясняется природой этих кривых. Длина основания средней ВЛ, так же как и длина строевой совпадает с длиной судна L. Положение ЦТ площади остается тем же, что у строевой. Наибольшая ордината кривой y_{ср max} = ω_max/2Т = βB/2, коэффициент полноты остается равным φ.

Подобным же образом вместо строевой по ватерлиниям может быть построена кривая средних ординат ватерлиний (средний шпангоут) являющаяся средними ординатами всех шпангоутов на данной ВЛ. Ординаты этой кривой получают путем деления ординат строевой на 2L.

y_{i ср} = S_i /2L.

Аппликата ЦТ площади у среднего шпангоута остается той же, что у строевой. Наибольшая ордината кривой y_{ср max} = S_max/2L = αB/2, коэффициент полноты равен χ.

Площадь смоченной поверхности Ω в большой степени влияет на ходкость судна и учитывается в расчете сопротивления движению. Данная площадь может быть определена как

,

где а_i – длина полупериметра обвода погруженной части шпангоутов. Данную формулу можно заменить выражением

Ω = 2La_ср,

где а_ср – средний полупериметра обвода шпангоутов.

.

Средний полупериметр может быть найден с большой точностью как полупериметр шпангоута средней площади, получающегося из строевой по ВЛ делением ее ординат на 2L. Если принять в качестве строевой четырехугольник Морриша, то соответствующий ей шпангоут будет иметь вид представленный на рис. 33. Пользуясь рисунком, можно найти а_ср.

Рис. 33. Построение шпангоута средней площади по Морришу

а_ср = ,

где

,

.

Тогда

Ω = 2L(а_В δВ + а_Т Т).

Исследования транспортных судов показали, что при В/Т = 2 – 3 достоверные результаты можно ожидать при а_В = 0,5, а_Т = 0,85 (формула Мумфорда). При повышенных значениях В/Т и уменьшении δ коэффициенты а_В и а_Т приближаются к значениям а_В = 0,565 и а_Т = 0,68 (формула Мурагина).

Похожую формулу для Ω получил В.А. Семеко

Ω = L(1,37(δ – 0,274)В + 2Т).

Иную формулу для Ω получил Тейлор, заменив шпангоут средней площади равновеликим по площади квадрантом круга. Если площадь шпангоута на один борт равна ω_i = δВТ/2 = ω_круга /4, то радиус равновеликой окружности

,

а полупериметр шпангоута средней площади (четверти длины окружности)

.

Отсюда площадь смоченной поверхности

.

Так как круговые обводы дают наименьшую площадь смоченной поверхности, то практически всегда k > (2π)^1/2. Сам Тейлор считал k = 2,66 ± 0,11.

Формула Тейлора, несмотря на большую погрешность, широко используется в ТПС. Основное достоинство – это возможность выразить значение Ω через относительную длину l = L/V^1/3, считающейся наиболее общей характеристикой пропульсивных качеств судна.

.