Главная страница Контакты Карта сайта Поиск по сайту:
Barque.ru
 
  • Судостроение
  • Моторы
  • Проекты
  • Спорт
  • Консультации
  • Кругозор
  • Истории
  • Главная / Судостроение / Технологии / 1969 год / На цилиндрических колесах по воде
    Подкатегории раздела
    Парусные суда Моторные суда Технологии Экранопланы


    Поделитесь информацией


    Похожие статьи
    Международные рекорды скорости на воде (март 1964)
    История мирового рекорда скорости на воде
    Яхты на колесах — первый чемпионат Европы
    Устройства для поиска и спасения человека в воде
    Почету в холодной воде протекают сальники?
    Как спасать побывавших в ледяной воде?
    По воде, как по снегу: водные лыжи без буксировщика
    Прибор для сигнализации о несчастных случаях на воде
    Отдых на воде и охрана окружающей среды
    Безопасность на воде превыше всего
    Первая помощь утопающему на воде
    Новый рекорд скорости на воде Кену Ворби — 510,45 км/ч
    Что нужно знать о переохлаждении в воде?
    Мировые рекорды скорости на воде зпрегистрированные УИМ


    На цилиндрических колесах по воде

    Год: 1969. Номер журнала «Катера и Яхты»: 20 (Все статьи)
              0


    Когда в 1852 г. берлинский физик Магнус начинал свои опыты с цилиндрами, помещенными в воздушный поток, он, очевидно, и не предполагал, что результаты его исследований смогут найти практическое применение. Более того, он даже не смог объяснить обнаруженного явления, которое впоследствии получило его имя — эффект Магнуса. А явление это состоит в том, что если поместить цилиндр в воздушный поток (осью поперек направления потока) и начать вращать его, то появится какая-то сила, стремящаяся вытолкнуть цилиндр из потока. Причем эта сила действует перпендикулярно потоку, а ее направление зависит от того, в какую сторону вращается цилиндр.

    Информация об изображенииРис. 1. Роторное судно «Букау»
    Рис. 1. Роторное судно «Букау»
     
    Вскоре об эффекте Магнуса забыли, и забыли надолго. Только после исследований и Геттингенском аэродинамическом институте в 1923 г. немецкий инженер А. Флеттнер впервые попытался практически использовать вращающиеся цилиндры. Ему удалось построить судно — 900-тонную шхуну «Букау», на которой вместо мачт и парусов были установлены две цилиндрические колонны — роторы, приводимые во вращение двигателями мощностью по 20 л. с. (рис. 1).

    Испытания показали полную техническую пригодность роторного судна, хотя как и у обычного парусного судна, скорость «Букау» зависела от скорости ветра. В экономическом отношении шхуна оказалась, конечно, менее выгодной, чем моторные суда, поэтому идея роторного судна заинтересовать судовладельцев не смогла, и вращающимися цилиндрами снова на некоторое время заниматься перестали.

    Эффект Магнуса получил объяснение лишь после того, как Л. Прандтль в начале 90-х годов разработал теорию пограничного слоя. Было установлено, что при обтекании тела вязкой жидкостью (или газом) частицы жидкости, непосредственно соприкасающиеся с его поверхностью, как бы прилипают к ней и задерживают движение соседних частиц. Только на некотором удалении от поверхности тела скорость движения частиц жидкости снова становится равной скорости основного потока. Этот подторможенный слой жидкости Прандтль и назвал пограничным слоем.


    Ну а в какой же связи находятся поперечная сила на вращающемся цилиндре и пограничный слой?

    Информация об изображенииРис. 2. Схема к разъяснению обтекания цилиндра жидкостью
    Рис. 2. Схема к разъяснению обтекания цилиндра жидкостью
     
    Сначала предположим, что цилиндр неподвижен. В самый начальный момент, когда еще не развился пограничный слой, цилиндр будет обтекаться сплошным, без отрыва, потоком жидкости. Скорости течения в точках А и С, где расходятся и вновь встречаются верхняя и нижняя части потока, оказываются равными нулю, а в точках В превышают скорость основного потока (рис. 2). В результате в точках А и С имеет место максимум давления, а в точках В максимальное разрежение, т. е. на участках АВ скорость течения возрастает, а на участках ВС уменьшается.

    Информация об изображенииРис. 3. Картина течения около цилиндра в начальный момент времени
    Рис. 3. Картина течения около цилиндра в начальный момент времени
     
    Образование на цилиндре пограничного слоя видоизменяет эту показанную на рис. 3 картину. На участках АВ частицы жидкости в пограничном слое движутся, преодолевая трение вдоль поверхности тела. На участках ВС, где разрежение постепенно переходит в давление, скорость частиц в пограничном слое уменьшается, происходит торможение пограничного слоя и возникает возвратное течение (рис. 4). Это течение как бы оттесняет внешний поток от поверхности цилиндра и приводит к отрыву пограничного слоя. В результате образуются вихри за цилиндром (рис. 5), которые размываются и уносятся потоком (рис. 6). Так как цилиндр обтекается симметрично с верхней и нижней сторон, никаких сил, направленных поперек потока, не будет.

    Информация об изображенииРис. 4. Образование возвратного течения
    Рис. 4. Образование возвратного течения
     
    Если же привести сам цилиндр во вращение, например, вправо (по часовой стрелке), то картина будет принципиально иной. Поскольку скорость частиц жидкости относительно верхней поверхности цилиндра уменьшится, здесь уменьшается и сопротивление трения (оно пропорционально квадрату скорости обтекания), частицы жидкости в пограничном слое продвинутся дальше по потоку, и точка отрыва пограничного слоя сместится в направлении к точке С.

    Информация об изображенииРис. 5. Образование пары симметричных относительно продольной плоскости цилиндра вихрей
    Рис. 5. Образование пары симметричных относительно продольной плоскости цилиндра вихрей
     
    На нижней поверхности цилиндра относительная скорость частиц жидкости увеличивается, поэтому возрастает сопротивление трения и точка отрыва пограничного слоя перемещается уже навстречу потоку, т. е. удаляется от точки С.

    Симметрия обтекания нарушилась; следовательно, перераспределилось и давление по поверхности вращающегося цилиндра. Результатом этого перераспределения давлений и является поперечная сила, которая всегда направлена к той стороне, где направления вращения и потока совпадают.


    Информация об изображенииРис. 6. Типичная картина обтекания неподвижного цилиндра
    Рис. 6. Типичная картина обтекания неподвижного цилиндра
     
    При горизонтальном расположении цилиндров в воде, как это и должно иметь место на колесных судах, о которых мы будем говорить ниже, эта поперечная сила будет направлена вверх (подъемная сила на рис. 7, а) или вниз (топящая сила на рис. 7,6), в зависимости от направления вращения цнлиндров-колес.

    Информация об изображенииРис. 7. Направление действия поперечной силы
    Рис. 7. Направление действия поперечной силы
     
    Итак, мы рассмотрели эффект Магнуса и выяснили, что для его использования на «колесных» судах с целью получения силы, поднимающей корпус судна над водой, вращающиеся цилиндры должны быть полностью погружены в воду. Естественно, что для движения судна придется применять какие-го обычные движители. Таким образом получается, что погруженные цилиндры могут играть лишь роль подводных крыльев, но, по сравнению с крылом, цилиндр всегда будет иметь неизмеримо большее сопротивление и, следовательно, более низкое гидродинамическое качество (отношение подъемной силы к силе сопротивления). Максимальное гидродинамическое качество воащающегося цилиндра составляет К=1,3 и при использовании торцевых дисков К=2,28 (торцевые диски препятствуют перетеканию воды и как бы увеличивают эффективное удлинение цилиндра, а это приводит к росту величины подъемной силы (см. рис. 8). У подводного же крыла гидродинамическое качество оказывается выше в 10 и более раз.

    Информация об изображенииРис. 8. Зависимость коэффициента подъемной силы
    Рис. 8. Зависимость коэффициента подъемной силы
     
    Поэтому-то изобретатели и пытаются применить вращающиеся цилиндры, не погруженные в воду, а движущиеся по ее поверхности, что не имеет никакого отношения к эффекту Магнуса.

    Еще в 30-е годы предлагалось установить цилиндры под днищем глиссирующего катера таким образом, чтобы они катились по поверхности воды. В 1939 г. англичане Ламбардини и Фиддерман после обширных исследований разработали проект катера (рис. 9), в котором подъемная сила создавалась на катящихся по воде шести цилиндрах. Они экстраполировали полученные экспериментальные данные на довольно высокую скорость, обеспечить которую не смогли из-за ограниченных возможностей лаборатории, где ставились опыты. Тем не менее, авторы сделали оптимистические выводы о несущей способности цилиндров.


    Информация об изображенииРис. 9. Эскиз катера на колесах, предложенного Ламбардини
    Рис. 9. Эскиз катера на колесах, предложенного Ламбардини
     
    В этом случае, как и в проекте Подорванова, делается ставка на ту поддерживающую силу, которая возникает на цилиндрах как на глиссирующих поверхностях. Однако, как показали экспериментальные исследования, гидродинамическое качество цилиндра всегда оказывается ниже, чем плоской пластины. Если у плоской пластины отогнута вверх по дуге круга только задняя часть, гидродинамическая подъемная сила сразу же существенно уменьшается. Как видно из построенного по результатам исследований В. П. Гребешова графика (рис. 10), на котором представлена зависимость обратного качества ε от угла атаки α, уменьшение К пластины с отгибом вверх при прочих равных условиях может составить около 25%. Значит, и поддерживать на воде такая выпуклая пластинка сможет не больший, а даже меньший вес, чем плоская (наоборот, если заднюю часть пластинки отогнуть вниз, подъемная сила возрастает, что и используется часто при проектировании катеров: днищу у транца придают небольшой отгиб вниз).

    Информация об изображенииРис. 10. Обратное качество пластин
    Рис. 10. Обратное качество пластин
     
    Глиссирующий цилиндр — та же пластина с отгибом вверх, только цилиндр находится в худших условиях обтекания, поэтому можно ожидать еще большего снижения гидродинамического качества. Вращение цилиндра вносит определенные изменения в структуру его обтекания, а потому и в характер развития сил на такой поверхности. Однако непременным условием, при котором возможно возникновение динамической подъемной силы, остается условие схода струй (срыва потока) в районе максимально погруженной точки (рис. 11). При этом в случае вращения цилиндра в направлении его движения действительно будет иметь место некоторое снижение сопротивления трения, если относительная скорость жидкости равна нулю, т. е. когда линейная скорость на поверхности вращающегося цилиндра равна скорости набегающего потока. Это равенство, как видно из эпюры распределения относительных касательных скоростей (рис. 11), выполняется не во всех точках погруженной поверхности, а потому будет снижаться только часть сопротивления трения. Заметим, что остальные виды сопротивления, характерные для тел, движущихся на поверхности воды, остаются. Что же касается подъемной силы, то расчеты по формулам работы [4] показывают уменьшение подъемной силы катящегося по поверхности воды цилиндра в два раза, по сравнению с эквивалентной плоской пластиной (этот результат относится к случаю бесконечного размаха сравниваемых поверхностей).

    Информация об изображенииРис. 11. Схема глиссирующего цилиндра
    Рис. 11. Схема глиссирующего цилиндра
     
    Таким образом, идея использовать вращающиеся цилиыдры или колеса для достижения наивысшей скорости на воде оказывается далеко не столь многообещающей, как уверяют некоторые изобретатели. При равной мощности механизмов и одинаковом весе «колесный» катер всегда будет проигрывать в скорости обычному глиссирующему, не говоря уже о катере на подводных крыльях. Но, может быть, важны амфибийные качества судна на колесах, его способность ходить по мелководью и выходить на берег? Именно с этой точки зрения американский ученый Таппорт оценивает колесные суда как перспективные. Однако до сих пор не было построено ни одного подобного судна. Многочисленные заявки изобретателей за последние 10 лет в большинстве своем повторяют одна другую, причем основное внимание в них до сих пор уделялось не конструктивным проработкам, а объяснению преимуществ будущих колесных аппаратов.

    Информация об изображенииРис. 12. Профилированное несущее колесо — движитель
    Рис. 12. Профилированное несущее колесо — движитель
     
    Небезынтересно упомянуть о некоторых применениях цилиндров на воде. Во время второй мировой войны губернатор штата Нью-Джерси (США) Чарльз Эдисон предложил использовать вращающееся с большой скоростью (катапультируемое с судна) цилиндрическое колесо, которое содержит катушку, для переброски каната на берег. Еще до войны в опытовом бассейне Д. Тейлора была начата серия испытаний зубчатых колес (рис. 12), которым сообщалась большая скорость вращения, после чего их сбрасывали на наклонную поверхность, подходившую по касательной к поверхности воды. Горизонтальная скорость, которую колесо развивало на наклонной плоскости, сохранялась и на некотором участке бассейна. Эти работы, приостановленные в годы войны, были вновь начаты в 1957 г. одной из американских компаний с целью использовать зубчатые колеса на высокоскоростных судах. Здесь уже ученые пытались использовать совсем другой принцип — принцип удара о поверхность воды. Таппорт предполагает, что зубчатые колеса могут найти применение, выполняя одновременно функции несущих поверхностей и движителей.

    В последнее время и у нас в стране были проведены теоретические и экспериментальные исследования гидродинамических характеристик гладких и специальным образом профилированных круговых цилиндрических колес. Была испытана серия таких колес — свободно вращающихся и с приводом от двигателя. Эти испытания подтвердили предположение, что вращающиеся . колеса будут иметь значительно более низкое гидродинамическое качество, чем идентичная глиссирующая пластина или подводное крыло. Максимальное гидродинамическое качество испытанных колес оказалось немногим больше единицы, а это означает, что в экономическом отношении колесные аппараты будут значительно уступать глиссирующим судам, судам на подводных крыльях, судам на воздушной подушке и экранопланам.

    Литература


    • 1. И. Аккерт, Роторный корабль. Новый способ использования силы ветра, Госиздат, 1925 г.
    • 2. Р. С. Lоmbагdiпi, R. Fidderman, A New Theory on Propulsion of High Speed Water Craft and its Application to the Hydroller, Proc. 7-th International Congress of Applied Mechanics 2, part II, 1948.
    • 3. R. Taggart, Recent Marine Propulsion Development, «Journal of the American Society of Naval Engineers», May, 1960, v. 72, N 2.
    • 4. И. Т. Егоров. Гидродинами-ческне особенности процесса качения тел по поверхности воды, Труды НТО СП, вып. 64, 1965 г.


    Понравилась ли вам эта статья?
    +8

    ПРЕДЫДУЩИЕ СТАТЬИ
    Правильно ли расположен гребной винт?
    Контуры наиболее ходовых судостроительных лекал
    Особенности расчета катерных гребных винтов
    Защита гребных валов стеклопластиком
    Шпоновая (или скорлупная) обшивка для лодки
    Корпуса лодок скорлупной конструкции
    Итоги эксплуатации стекло- и армоцементных яхт
    От теоретического чертежа к постройке судна
    Плюсы и минусы тихоходных водоизмещающих лодок
    Глиссирующая мотолодка для волны
    Оценка вместимости и остойчивости прогулочных лодок
    Парусное вооружение современных яхт
    Расчетный метод сопротивления остроскулых катеров
    Конструкция паруса спинакера и управление им
    Повышение скорости движения судов, имеющих контакт с водой

    ТЕКУЩАЯ СТАТЬЯ
    На цилиндрических колесах по воде

    СЛЕДУЮЩИЕ СТАТЬИ
    Методы расчета гребных винтов спортивных судов
    Вспомогательный мотор на парусной яхте
    Повышение проходимости движителей в заросших водоемах
    Гидромоторные движители для судов
    Ренато Левио о катерах с обводами «глубокое V»
    Продольная устойчивость при глиссировании
    Монтаж валопровода при постройке катера
    Гидродинамика судов типа «морские сани»
    От морских саней к тримарану
    Кисти для малярных работ на судне
    Подбор элементов гребных винтов
    Исправление недостатков судна перед покраской
    Парусные яхты на подводных крыльях
    Ветряные мельницы и паруса братьев Ван дер Мерве
    Руль высокой эффективности на современной яхте


    Ссылка на эту статью в различных форматах
    HTMLTextBB Code

    Комментарии к этой статье


    Еще нет комментариев



    Сколько будет 49 + 18 =

           



    Barque.ru © 2013 | Контакты | Карта сайта
    Судостроение: Парусные суда Моторные суда Технологии Экранопланы
    Моторы: Описание моторов Устройство моторов Самодельные моторы Тюнинг моторов Обслуживание моторов Дистанционное управление
    Проекты: Парусные яхты Парусные катамараны Парусные тримараны Моторные лодки Катера Туристические суда Рыболовные суда Виндсерфинги и лыжи Прицепы и трейлеры Прочие проекты
    Спорт: Новости спорта Парусные соревнования Водномоторный спорт Воднолыжный спорт Виндсерфинг Буерные соревнования Соревнования туристов
    Консультации: Полезные устройства Полезные советы Улучшение судов Улучшение моторов Опыт эксплуатации Техника плавания Разбор аварий Рыболовам
    Кругозор: Новые суда и устройства Интересные события Интересные факты Интервью Карты и маршруты Официальные данные Проблемы малого флота Яхт-клубы и стоянки Письма в редакцию
    Истории: Путешествия Туристические походы Знаменитые корабли Военная страничка Литературная страничка История флота Прочие истории