2421. Проектирование и расчет подводных крыльев

В течение многих десятилетий постепенное повышение скорости хода судов достигалось в основном увеличением мощности устанавливаемых двигателей, а также улучшением обводов корпуса и усовершенствованием движителей. В наши дни судостроители и в том числе конструкторы-любители получили возможность использовать качественно новый путь.

Как известно, сопротивление воды движению судна можно разделить на две основные составляющие:

1 сопротивление, зависящее от формы корпуса и затраты энергии на волнообразование, и

2 сопротивление трения корпуса о воду.

С ростом скорости водоизмещающего судна сопротивление его движению резко возрастает в основном из-за увеличения волнового сопротивления. При повышении скорости хода глиссирующего судна благодаря наличию динамической силы, поднимающей корпус глиссера из воды, первая составляющая сопротивления значительно уменьшается. Еще более широкие перспективы увеличения скорости хода без повышения мощности двигателя открывает применение нового принципа движения по воде движения на подводных крыльях. Крыло, обладая при одинаковой подъемной силе значительно более высокими гидродинамическими характеристиками, чем глиссирующая пластина, позволяет существенно уменьшить сопротивление судна в режиме движения на крыльях.

Границы выгодности применения различных принципов движения по воде определяются относительной скоростью движения судна, для характеристики которой используется число Фруда:

g ускорение силы тяжести g 9,81 м/сек 2

L характерный линейный размер судна его длина.

Считая, что L пропорциональна кубическому корню D где D водоизмещение судна , часто применяют число фруда по водоизмещению:

Обычно корпуса с водоизмещающими обводами обладают меньшим сопротивлением на скоростях, соответствующих числам фруда РrD 1 при больших значениях относительной скорости FrD 2, 3 для судов применяются глиссирующие обводы и целесообразна установка крыльев.

Рис. 1

На малых скоростях хода сопротивление катера с крыльями несколько больше сопротивления глиссера рис. 1 из-за сопротивления самих крыльев и стоек, соединяющих корпус с крыльями. Но при увеличении скорости хода благодаря постепенному выходу корпуса судна из воды его сопротивление движению начинает уменьшаться и при скорости, на которой корпус полностью отрывается от воды, достигает наименьшего значения. При этом сопротивление катера на крыльях существенно меньше сопротивления глиссера, что и позволяет при одинаковых мощностях двигателей и водоизмещениях получать более высокие скорости хода.

При эксплуатации судов на подводных крыльях выявлены и другие их преимущества перед глиссерами и прежде всего более высокая мореходность, обусловленная тем, что при движении на крыльях корпус находится над водой и не испытывает ударов волн. При плавании с малыми скоростями крылья также оказывают благоприятное действие, уменьшая качку судна. Отрицательные качества например, большая осадка на стоянке, громоздкость крыльев отнюдь не снижают значения судов на крыльях, обеспечивающих высокую комфортабельность плавания в сочетании с высокой скоростью движения. Достоинства крылатых судов завоевали им широкую популярность во многих странах мира.

В настоящей статье приводятся основные понятия и зависимости из теории движения крыла в воде и методы расчета и проектирования крыльевых систем применительно к судам малого водоизмещения.

Гидродинамика подводного крыла

Простейшим примером подводного крыла может служить тонкая прямоугольная пластина, поставленная под углом к направлению ее движения. Однако для получений большей подъемной силы при меньшем сопротивлении в настоящее время применяют крылья более сложных форм. Несмотря на то, что вопросы теории и экспериментальных исследований подводного крыла во многом еще не разработаны, уже получены основные зависимости и собран обширный экспериментальный материал, позволяющие правильно оценивать влияние различных факторов на гидродинамику крыла и проектировать его конструкцию.

Рис. 2

Форма крыла рис. 2 определяется его размахом l, хордой b, углом стреловидности и углом килеватости . Дополнительными параметрами являются площадь крыла в плане S lb и относительное удлинение l 2 /S. Для прямоугольного крыла с постоянной вдоль размаха хордой l/b.

Положение крыла по отношению к потоку определяется геометрическим углом атаки профиля
, т. е. углом между хордой крыла и направлением его движения.

Основное значение для характеристики крыла имеет его профиль сечение крыла плоскостью, перпендикулярной размаху. Профиль крыла определяется толщиной е. вогнутостью средней линии профиля f, а также углом нулевой подъемной силы 0. Толщина профиля переменна по хорде. Обычно максимальная толщина находится на середине хорды профиля или несколько смещена в нос. Линия, проходящая через середину толщины профиля в каждом сечении, называется средней линией кривизны или средней линией профиля. Отношения максимальной толщины и стрелки максимальной вогнутости средней линии к хорде определяют относительную толщину и вогнутость профиля и обозначаются соответственно е и f. Значения е и f и их геометрическое положение по длине хорды выражаются в ее долях.

Рассмотрим обтекание плоского крыла бесконечного удлинения при его движении в безграничной жидкости.

Рис. 3

Поток, набегающий на крыло со скоростью под некоторым положительным углом атаки , на верхней стороне профиля ускоряется, а на нижней замедляется. При этом, согласно закону Бернулли, давление на верхней стороне уменьшается, а на нижней увеличивается по сравнению с давлением в невозмущенной жидкости . На рис. 3 приведен график, иллюстрирующий изменение безразмерного коэффициента давления:

по хорде профиля подводного крыла.

Здесь р р рo. где р давление в соответствующей точке профиля, а ро давление в невозмущенной жидкости.

Отрицательные значения коэффициента давления указывают на разрежение р Ро , положительные на наличие давления р Ро .

Возникающая разность давлений создает на крыле силу, направленную вверх, т. е. подъемную силу крыла.

Как можно видеть из рисунка, площадь эпюры разрежения значительно больше площади эпюры повышенного давления. Многочисленные эксперименты показывают, что примерно 2/3 подъемной силы создается на верхней «засасывающей» стороне профиля благодаря разрежению, а около 1/3 на нижней «нагнетающей» благодаря повышению давления.

Равнодействующая сил давлений, действующих на крыло, представляет полную гидродинамическую силу, которая может быть разложена на две составляющие:

Y подъемную силу крыла, перпендикулярную направлению движения

X силу сопротивления, направление которой совпадает с направлением движения.

Точка приложения равнодействующей этих сил на профиле характеризуется моментом М относительно передней точки профиля.

Экспериментальные исследования показали, что подъемная сила Y, сила сопротивления X и их момент М выражаются зависимостями:

плотность воды для морской воды 104, а для пресной воды 102 кг сек 2 /м 4

скорость потока, набегающего на крыло скорость движения крыла в потоке

b хорда крыла

S площадь крыла

Сy. Сx. Сm безразмерные гидродинамические коэффициенты соответственно подъемной силы, силы сопротивления и момента.

Коэффициенты Сy. Сx. Сm являются основными характеристиками крыла, не зависящими от среды, в которой движется крыло воздух или вода . В настоящее время нет достаточно точного метода теоретического расчета гидродинамических коэффициентов крыла в особенности Сx и Сm для различных типов профилей. Поэтому для получения точных характеристик крыла эти коэффициенты определяют экспериментально путем продувок в аэродинамических трубах или буксировок в опытовых бассейнах. Результаты испытаний приводятся в виде диаграмм зависимостей коэффициентов Сy. Сx. Сm от угла атаки .

Рис. 4

Для общей характеристики крыла дополнительно вводят понятие гидродинамического качества крыла К, представляющего отношение подъемной силы к силе сопротивления:

Часто характеристики крыла приводят в виде «поляры Лилиенталя», выражающей зависимость Су от Сх. На поляре отмечают экспериментальные точки и соответствующие им углы атаки. На рис. 4 и 5 приведены гидродинамические характеристики сегментного профиля «Геттинген № 608». Как можно видеть, значения гидродинамических коэффициентов определяются углом атаки крыла. На рис. 6 показано распределение давления для трех углов атаки. С увеличением угла на верхней поверхности крыла увеличивается степень разрежения, а на нижней растет избыточное давление общая площадь эпюры давлений при 3 значительно больше, чем при 0 , что и обеспечивает возрастан

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

Портал Санкт-Петербург Тут Санкт Петербург Портал г. Санкт-Петербург