В настоящее время наиболее распространенным вариантом является установка кормового и носового крыльев с примерно равным распределением веса катера между ними (при этом как носовое, так и кормовое крыло может состоять из одного или двух крыльев, расположенных по бортам). Двукрылая схема обеспечивает наиболее высокое гидродинамическое качество на расчетной максимальной скорости хода, однако осуществление ее обычно связано с большими затруднениями при разработке винторулевого комплекса и доводке построенных катеров. В поисках упрощения конструкторы пришли к парадоксальной идее об отказе от кормового крыла.
Оказалось, что достаточный эффект можно получить и при однокрылой схеме. В носовой части катера устанавливается одно подводное крыло, воспринимающее около половины веса катера. На ходу, когда подъемная сила на крыле достигнет определенной величины, носовая оконечность катера приподнимается над водой и катер движется только на крыле и на небольшом участке днища у транца.
Поскольку качество глиссирующей пластины, разновидностью которой является кормовая часть днища катера, не превышает К=10, то очевидно, что теоретически в большинстве случаев однокрылый катер будет проигрывать двукрылому в скорости. Можно, однако, говорить и об определенных преимуществах упрощенной однокрылой схемы, которые позволяют катерам с одним носовым крылом практически конкурировать с двукрылыми.
Во-первых, упрощается конструкция крыльевого устройства в целом; в два раза уменьшаются затраты на его изготовление, оно получается значительно более легким; в случае необходимости одно носовое крыло гораздо легче выполнить убирающимся, поворотным или с автоматически управляемым углом атаки, чем устройства с двумя крыльями.
Во-вторых, упрощается конструкция кормового движительно-рулевого комплекса (кронштейн, гребной винт, руль); уменьшается угол наклона оси гребного вала и улучшаются условия работы винта независимо от расположения двигателя; уменьшается габаритная осадка катера кормой. При преодолении «горба» сопротивления и выходе на крыло двигатель испытывает меньшие перегрузки.
Мореходность катера даже повышается вследствие уменьшения размахов колебаний носовой части и улучшения условий совместной работы на волнении крыла и корпуса катера. (Имеются в виду «провалы» носового крыла, которые при наличии крыла в корме приводят к появлению отрицательных углов атаки и соответствующих сил, вызывающих погружение носового крыла, что сопровождается увеличением сопротивления и снижением скорости хода.)
Очень важно и то, что на ходовых испытаниях катера с одним носовым крылом легче выбрать оптимальные значения углов его установки, высоты стоек и других элементов. При этом существенно облегчается и доводка гребного винта, которая производится одновременно с доводкой крыла с целью получения полного согласования движителя и механической установки, позволяющего развить наибольшую возможную скорость хода.
Следует добавить еще и такой плюс, как возможность оборудовать носовым крылом уже спроектированный и построенный глиссирующий катер без какого-либо изменения линии гребного вала и переделки выступающих частей. (В некоторых случаях подобное решение позволяет получить оптимальный ходовой дифферент неудачно спроектированного катера — с носовой центровкой, с выпуклостью днища и т. п.)
В зарубежной печати сообщения о постройке однокрылых катеров появлялись неоднократно. В качестве же примера установки носового крыла на существующем серийном судне можно назвать успешный эксперимент с разъездным катером «Чайка», построенным в 1961 г. (см. В. И. Блюмин, Л. А. Иванов и М. Б. Масеев, «Транспортные суда на подводных крыльях», стр. 38—40). Основные данные катера: длина — 6,1 м; ширина — 1,86 м; водоизмещение — 1,60 т; мощность двигателя — 90 л. с. Максимальная скорость хода (48 км/час) благодаря носовому крылу возросла на 8 км/час при одновременном повышении мореходных качеств. Авторы рекомендуют применять носовые подводные крылья и на всех других эксплуатируемых катерах типа «Чайка».
Одно крыло было установлено (рис. 1) и на 6-местном служебно-разъездном катере типа 370М, имеющем длину — 6,18 м; ширину — 2.03 м; полное водоизмещение — 1,95 т; мощность двигателя — 77 л. с. Скорость хода возросла с 40 до 48—50 км/час.
Наконец, можно отметить, что еще в 60-х годах в редакцию сборника поступило несколько сообщений о попытках применить однокрылую схему на серийных мотолодках для повышения скорости хода при ограниченной мощности имевшихся тогда подвесных моторов. Так, в № 26 было опубликовано фото «Прогресса», идущего на носовом крыле под «Москвой-М» (к сожалению, адрес автора остался неизвестным).
Если говорить о теоретическом обосновании рассматриваемой схемы, то стоит упомянуть, например, что установку одного носового крыла рекомендует М. М. Коротков в статье «Особенности использования подводных крыльев на малых судах» («Судостроение» № 11, 1968 г.); ожидаемое увеличение скорости хода, по его оценке, составляет от 10 до 20%.
Приводимые на рис. 2 кривые удельного сопротивления R/Δ бескрылых катеров и катера с одним носовым крылом показывают, что установка крыла оправдывается только при FrΔ>3. (Сразу же оговоримся, что все рекомендации настоящей статьи относятся к глиссирующим катерам с традиционными остроскулыми обводами; при L/B=3÷6 и углах килеватости днища на транце 3—6° и на миделе около 15°)
Проектирование носового крыла и его гидродинамический расчет для однокрылого и двукрылого вариантов катера практически одинаковы, если не считать некоторого уменьшения высоты стоек однокрылого устройства с целью уменьшения ходового дифферента.
Носовое подводное крыло целесообразно устанавливать, если ожидаемая скорость хода будет не менее:
где Δ — водоизмещение катера, м3.
При меньших скоростях носовое крыло существенной пользы не приносит, так как для создания необходимой подъемной силы его площадь должна быть чрезмерно большой; оно может вызвать даже повышение сопротивления катера и падение скорости по сравнению с бескрылым вариантом.
На начальной стадии проектирования значение наибольшей скорости хода катера с носовым крылом при известных водоизмещении Δ и мощности двигателя Ne определяется как:
Информация об изображении
Рис. 3. Приближенные зависимости гидродинамического качества от числа Фруда
где η — пропульсивный коэффициент;
Рис. 3. Приближенные зависимости гидродинамического качества от числа Фруда
K=Δ/R — гидродинамическое качество, представляющее собой отношение Δ к полному сопротивлению R при ходе на носовом крыле.
Приближенное значение K можно снять с приводимой на рис. 3 кривой, показывающей снижение Я крылатого катера при увеличении его скорости движения. (Происходит это потому, что в отношении Δ/R подъемная сила крыла и глиссирующего днища, равная по величине Δ катера, с увеличением v не должна изменяться, так как в противном случае движение будет неустойчивым, а сопротивление R в знаменателе постепенно возрастает.)
Пропульсивный коэффициент, характеризующий эффективность использования мощности двигателя, можно принимать в пределах η=0,50÷0,60.
Целесообразно сразу определить значение произведения Kη, представляющего собой коэффициент пропульсивного качества:
Пунктирная линия на рис. 3 характеризует одновременное увеличение v и Kη глиссирующих катеров при установке подводных крыльев. Переходя параллельно этой линии с одной кривой на другую, можно ориентировочно оценить Прирост скорости, обусловленный наличием поперечного редана или подводного крыла.
Убедившись в целесообразности установки носового крыла, следует определить его площадь и место расположения. С этой целью необходимо задаться той частью веса катера, которую крыло должно нести. Чаще всего ее принимают равной 50—60% полного веса катера. Таким образом, подъемная сила на крыле должна быть:
Место установки крыла находится из выражения:
где хн — отстояние от транца точки приложения подъемной силы на крыле;
xg — отстояние от транца ЦТ катера;
хтр — отстояние от транца точки приложения подъемной силы глиссирующего участка днища. Ориентировочна хтр=0,1L. (где L — длина катера).
Следует стремиться к тому, чтобы крыло располагалось в относительно широком и удобном для крепления месте корпуса катера. При проектировании нового судна может оказаться целесообразным даже уширение корпуса.
Несущая площадь крыла:
где Сy — коэффициент подъемной силы крыла.
Величина Сy должна выбираться с учетом многих обстоятельств, главнейшими из которых являются обеспечение высокого гидродинамического качества и отсутствие кавитации крыла на расчетной скорости. Для скоростей 25—40 узлов этим условиям удовлетворяет величина, близкая к Сy=0,15÷0,20.
Подъемная сила на подводном крыле должна быть постоянной на всех режимах движения. Следовательно, нужно предусмотреть какие-то дополнительные элементы — несущие площади крыла, которые работали бы на промежуточных режимах (например, в режиме выхода на крыло), когда скорость еще ниже расчетной, и потому подъемная сила, возникающая на основном крыле, недостаточна, и выходили бы из воды на полной скорости. С этой целью применяются различного рода комбинированные схемы, включающие помимо всегда находящейся в воде основной несущей плоскости, стартовые наклонные, этажерочные и другие крыльевые элементы, создающие добавочную подъемную силу и обеспечивающие как выход катера ка крыло, так и устойчивый ход на нем при измененных условиях эксплуатации.
На рис. 4 и 5 приведены наиболее распространенные схемы.
Плоские малопогруженные крылья (рис. 4, а и б) используются только для катеров, эксплуатирующихся на спокойной воде. Благодаря малому погружению их можно применять на катерах, имеющих очень высокую скорость хода, на которой появляется опасность кавитации.
Для повышения мореходных качеств, поперечной остойчивости и уменьшения ветрового сноса катеров следует применять килеватые V-образные и различного вида отдельно стоящие крылья (рис. 4, в, г, д и е). При этом, однако, следует учитывать, что наличие килеватости крыла несколько снижает его гидродинамическое качество и увеличивает возможность появления кавитации на глубоко погруженном носике. Отдельно стоящие крылья особенно удобны для убирающихся конструкций.
Весьма рациональны комбинированные трапециевидные схемы, состоящие из основного плоского или малокилеватого крыла, наклонных стабилизаторов и различных вспомогательных элементов (рис. 4, ж, з, и, к).
Удлинение крыла, во избежание снижения К, следует принимать не менее λ=l/b≈5.
Размах l несущей плоскости целесообразно принимать наибольшим, равным максимальной ширине катера по скуле или, что еще лучше, по палубе. Благодаря этому кормовая часть корпуса катера будет свободно «вписываться» в корытообразную впадину за крылом, что исключит замывание бортов и повысит устойчивость движения. Кроме того, увеличение l улучшает остойчивость катера на ходу.
Наклонные стабилизаторы устанавливают на концах крыла таким образом, чтобы на максимальной скорости их большая часть находилась над водой. При провалах крыла подъемная сила возрастает не только благодаря его большему погружению, но и благодаря увеличению погруженной площади стабилизаторов. Стабилизаторы увеличивают эффективную площадь крыла на малых скоростях и облегчают преодоление «горба» сопротивления, а также создают большие восстанавливающие моменты при крене. Устанавливать наклонные стабилизаторы следует с тем же углом атаки, что и основное крыло, или с несколько большим (обычно на 0,5—1,5°).
Наиболее просты в изготовлении стабилизаторы с плоско-выпуклым сегментным профилем, с постоянными хордой и углом атаки по всему размаху. Для повышения эффективности их делают расширяющимися к концам, с изменяющимся — постепенно увеличивающимся углом атаки («круткой») и нарастающей вогнутостью нагнетающей поверхности.
Погружение основной несущей плоскости крыла со стабилизаторами при относительно небольших скоростях движения, когда опасность появления кавитации невелика, может быть принято равным хорде. Это обеспечивает высокое значение К и улучшает мореходность катера. Размах плоской части крыла может быть несколько уменьшен, а размах стабилизаторов увеличен.
Для более высоких скоростей погружение трапециевидного крыла должно быть уменьшено, но не более чем до h≈(0,2÷0,3)b.
Угол наклона стабилизаторов в плоскости шпангоута, т. е. угол килеватости, обычно принимается равным 25°—30°. Уменьшение его нежелательно, так как облегчает прорыв воздуха к основной плоскости, а увеличение — снижает эффективность действия стабилизаторов.
Дополнительные элементы в этой схеме крыла ставятся в различных сочетаниях в зависимости от их назначения. Одни играют роль стартовых, помогающих выйти на крыло, — в этом случае после отрыва корпуса они должны выходить из воды (рис. 4, и); другие — предназначены для стабилизации хода катера на волнении (рис. 4, к) и должны быть глубокопогруженными.
Для дальнейшего улучшения мореходности катера основному крылу и стабилизаторам следует придавать стреловидность (в плане) порядка 25°—50°.
Движение катера на носовом крыле и кормовом участке днища характеризуется повышенными углами ходового дифферента. Следует стремиться, чтобы установка крыла обеспечивала средний угол атаки глиссирующего участка днища катера, по возможности близкий к оптимальному, равному примерно 4°. Во избежание чрезмерно большого дифферента приходится ограничивать высоту стоек (размер от О.П до крыла) значением hн≈(0,05÷0,06)xн.
Пример расчета
Применение приведенных рекомендаций поясним примером определения основных элементов носового подводного крыла для мотолодки «Прогресс».
Длина наибольшая, м | 4,65 |
Ширина, м наибольшая | 1,70 |
Ширина, м наибольшая по скуле | 1,50 |
Ширина, м по скуле у транца | 1,40 |
Водоизмещение полное Δ,кг | 550 |
Отстояние ЦТ от транца xg, м | 1,9 |
Мощность мотора «Вихрь-М», л. с. | 25 |
Скорость хода vs, узлы | около 20 |
Число Фруда FrΔ | 3,63 |
Пропульсивное качество Kη | 3,02 |
Воспользуемся рис. 3. Проведя через точку с координатами Kη=3,02 и FrΔ= 3,63 прямую, параллельную вспомогательной пунктирной линии, до пересечения с кривой 4, получим, что для однокрылого катера Kη=4,1 (заметим, что эта величина соответствует произведению вполне достижимых значений К=6,7 и η=0,61).
Приняв вес крыльевого устройства с подкреплениями 40 кг и соответственно увеличив Δ до 590 кг, определим ориентировочную скорость хода при установке крыла:
Таким образом, крыло может дать прирост скорости около 5 узлов (т. е. до 25%).
Принимая, что крыло будет нести около 55% Δ, находим, что необходимая подъемная сила:
Подъемная сила должка быть приложена на расстоянии от транца, равном:
где xтр≈0,5 м.
Задавшись для максимальной скорости хода значением Су=0,15, найдем несущую площадь крыла:
При неизменной S значение Су на промежуточной скорости 15 узлов должно было бы составлять:
Поскольку обеспечить такое значение Су весьма трудно, придется для получения необходимой подъемной силы установить на крыле наклонные стабилизаторы.
Размах плоской части крыла примем равным 1,4 м. Тогда при хорде 0,16 м и угле наклона стабилизаторов 30° рабочий размах будет близок к требуемому 1,5—1,6 м. Удлинение крыла в этом случае составит λ≈9 и позволит обеспечить высокое К-Полный размах крыла со стабилизаторами целесообразно принять равным 2,0—2,1 м.
Возможны, конечно, и другие комбинации (например, уменьшение размаха плоской части до 1,0—1,2 м при соответствующем увеличении наклонных стабилизаторов); возможно также и изменение хорды крыла. Но следует иметь в виду, что уменьшение b приведет к уменьшению погружения крыла, вследствие чего оно будет более чувствительным к волнению; при увеличении b будет возрастать площадь крыла, что не всегда желательно.
Профиль сечения наклонных стабилизаторов с целью упрощения работы принимаем таким же, как и у крыла, а угол их установки — на 1° больше.
Для обеспечения необходимой прочности крыло прикрепим к корпусу двумя кронштейнами и двумя стойками.
Отстояние крыла от основной плоскости следует принять в пределах 0,16—0,18 м.
Схема подводного крыла на корпусе мотолодки «Прогресс» приведена на рис. 6.
Дальнейшее проектирование производится по тем же рекомендациям, что и для двукрылой схемы. При разработке профилировки сечений и выборе различных конструктивных элементов можно пользоваться Книгой В. И. Блюмина и др. «Транспортные суда на подводных крыльях», а также статьями, опубликованными в сборнике №3 1964 г., №9 1967 г. и др.
Помимо профилей, приведенных в этих работах, можно применить для крыла хорошо зарекомендовавший себя острокромочный сегментный профиль с приполненной входящей кромкой (табл. 1), а для стоек — простые в технологическом отношении профили со срезанной выходящей кромкой (табл. 2).
Практика показывает, что важно не только правильно спроектировать и изготовить крыло, но и довести его до получения желаемых результатов на самом катере в процессе ходовых наладочных испытаний. Для этого крепление крыла на корпусе должно позволять регулировку угла его установки, высоты стоек и положения крыла по длине катера.
Для обеспечения нормальной загрузки двигателя (без превышения максимальных оборотов) при значительном увеличении скорости хода, вызванном установкой крыла ка ранее построенном катере, гребной винт в большинстве случаев приходится проектировать новый — с несколько большим шагом.