Обсуждение оптимальных обводов судна для разных условий эксплуатации

[КиЖиМ]

Взяв за основу эту форму корпуса конкретизируем задачу. Первое - все шпангоуты должны изготавливаться из обычного проката (уголка), без применения гибки. То есть - взяли, отмерили, отрезали и сварили шпангоутную рамку... всё. Второе - все листы наружной обшивки должны разворачиваться на плоскость. То есть нужно исключить технологические операции, связанные с вытяжкой металла.
Все это позволило впоследствии здорово сэкономить на технологии и уложиться в не очень богатый бюджет, выделенный для строительства.
Было принято решение сделать два слома на сторону. То есть наружная обшивка состояла всего из шести полос листовой стали. Нужно ещё отметить, что разработанная нами форма корпуса была ещё больше упрощена уже в процессе строительства - немного выпуклая форма днища была заменена на ещё более простую - плоскую. Это предложил завод-строитель. Заказчик согласился. Впоследствии испытания судов были признаны удовлетворительными.
Было построено два типа таких судов - для реки и для моря. Итак, вот что получилось:

 

[КиЖиМ]

Кроме соображений эксплуатационного характера и мореходности с гидродинамикой на форму корпуса судна важнейшее влияние оказывает выбор материала и, соответственно, технологии постройки. В этой связи хочется упомянуть про один интересный материал - высокомолекулярный полиэтилен. Он должен был уже давно, по моему мнению, совершить в маломерном судостроении если не революцию, то серьёзную "движуху", но почему-то процесс затягивается...
Итак, почему именно он? А потому что у него интересные свойства...
например РЕ 1000:
- Высокая износостойкость
- Высокая ударная вязкость, даже при низких температурах
- Положительная плавучесть (!)
- Очень низкий коэффициент трения скольжения, то есть он отлично скользит по камню, а не "липнет" к нему, как алюминий.
- Хорошие механические прочность, жёсткость и предел ползучести

Отсюда получаем вывод - первый вариант использования (минимальный) - покрытие этим материалом днищевой части существующих лодок... второй вариант - изготовление самих лодок. И то и другое уже есть, но до обидного мало используется...

 

[КиЖиМ]

Ещё один пример для раскрытия влияния материала-технологии на форму корпуса водоизмещающего судна. К нам обратился человек, который хотел бударку, но при этом не хотел стеклопластиковую, которая у нас делалась серийно. Как альтернативу он пожелал лодку из "нержавейки" (на вопрос "почему?" внятно ответить не смог). Задача была решена. Было изготовлено два таких судна. Вот фото этих судов после 5 лет эксплуатации "в хвост и в гриву" и для сравнения "оригинальная" бударка.

 

[КиЖиМ]

Что-то я про мелководье, да про мелководье... теперь про глубину! Ведь у нас в стране есть места и поглубже...
Когда дело касается водоизмещающих судов, то глубина акватории для их скорости — вопрос очень серьёзный, так как она напрямую зависит от этой глубины. То есть, если глубина небольшая, то скорость будет падать. Все, кто плавал на лодках наверняка сам замечал, как судно сбрасывает скорость, если попасть на мелководье. В таких случаях говорят, что «судно чувствует мель». Это происходит от того, что вода — вязкая среда и она передаёт усилия судна по её вытеснению во все стороны, включая дно водоёма. Соответственно получает ответное движение, которое судно и притормаживает... Это ещё полбеды, когда притормаживает, а вот когда большая моторная яхта с обводами «переходника» приближается к «пляжу» под острым курсовым углом, то она может неожиданно получить резкий крен... в общем, поосторожнее с манёврами нужно быть в районе перепада глубин.

 

[pohlebaeFF]

Интересно,а на глиссирующих лодках почему то на оборот на мелководье прирост скорости получается.особенно чётко проявляется когда загрузка почти предельная для мощности мотора,выходишь на меляк и лодка буквально отлипает от воды.

 

[КиЖиМ]

Интересно,а на глиссирующих лодках почему то на оборот на мелководье прирост скорости получается.особенно чётко проявляется когда загрузка почти предельная для мощности мотора,выходишь на меляк и лодка буквально отлипает от воды.

Действительно интересно. Полагаю, что положительную роль играют два фактора:
- первый - волнение на мелководье меньше;
- второй - на мелководье повышается уровень сил гидродинамического поддержания за счёт влияния близости дна водоёма, а с ним падает площадь омываемой поверхности, то есть снижается трение.

 

[КиЖиМ]

Большое значение при ходе водоизмещающего судна на волнении имеет форма носовых шпангоутов. Чем больше их развал, тем быстрее судно всходит на волну. Однако этот же фактор означает увеличение площади палубы в носовой части, а значит, попавшая туда вода будет медленнее удаляться. Это означает, что слишком крутой развал делать тоже не стоит. На уменьшение этой опасности также влияет размещение на палубе специальных волнорезов, установка в фальшборте достаточного размера вырезов и шпигатов для удаления воды. Всё это в меньшей степени, но всё же имеет значение и для кормы. В носовой части малых судов также делается местное увеличение высоты палубы в виде уступа. Иногда его ошибочно называют "баком". Это не верно. Баком называется носовая надстройка ВЫШЕ ГЛАВНОЙ ПАЛУБЫ.
Очень большое значение для хода на волне имеет форма корпуса в поперечном сечении. Она во многом определяет характер качки на волнении (в сочетании с метацентрической высотой, разумеется). Качка судна должна быть плавной. Для обеспечения плавности качки используются вспомогательные средства. Это могут быть и достаточно сложные успокоители качки типа цистерн Фрама, так и более простые устройства типа скуловых килей. Для примера на фото "Ярославец" (пр. 376) со скуловыми килями.

 

[КиЖиМ]

Однако, сказанное мной про форму корпуса водоизмещающих судов для большой волны (то есть "открытой воды") хотя и верно, но догмой не является. Решающее значение имеет назначение судна. Например, те же реюшки волну держат просто блестяще, но имеют плоскодонный участок на днище. Если же нужна большая площадь палубы и небольшая качка, то почему бы не сделать судно пошире и с плоским участком на днище. Ходкость при этом, разумеется, снизится, но это далеко не всегда решающий фактор.
Самые распространённые суда для большой волны - экспедиционные моторные яхты. Обычно они имеют малое соотношение длины к ширине, форму корпуса для переходного режима движения и избыточную мощность двигателей, которой редко пользуются... ну, расход горючего-то растёт ещё быстрее. Зачем тогда лишняя мощность? Да от шторма сбежать... всего-то.
Итак, смотрите внимательно на фотки "яхт-траулеров". Такие они на берегу. Видна разная форма корпуса. Одни для высокой скорости, другие - поэкономичнее. Общее только одно - высокая мореходность.

 

[КиЖиМ]

У нас несколько судов, которые можно отнести к этому типу в большей или меньшей степени. Однако самым близким к теме является, пожалуй, 16-ти метровый "Гридин". См. http://kizhim.ru/projects/individual/65-46

 

[КиЖиМ]

На малом и среднем ходу волнообразование у таких судов умеренное, что говорит о низком сопротивлении движению и, соответственно, о низком расходе горючего. То есть такие суда, несмотря на кажущуюся простоту формы корпуса достаточно экономичны. А это означает, что речь идёт не только о экономии, как таковой, но и возможности совершать на этих судах достаточно длительные путешествия вне баз снабжения. Именно поэтому их и называют иногда "экспедиционными яхтами". Впрочем, такую форму корпуса можно использовать и для других целей. Например, к её несомненным достоинствам относится высокая остойчивость и вместимость.

 

[КиЖиМ]

Исключение составляют случаи перегрузки судна, однако такое случается только с относительно небольшими судами. В общем же случае суда с корпусами для переходного режима движения на увеличение количество пассажиров на судне реагируют слабо - сказывается малый прирост осадки на тонну дополнительной нагрузки.

 

[КиЖиМ]

На волне, да и просто на высокой скорости такие суда ведут себя по-разному. Это понятно - они сами достаточно разные - я их объединил в одну кучу всё-таки не совсем правомерно. Хотя сходство некоторое всё же есть. И чем ближе их форма корпуса к водоизмещающей, тем выше это сходство. Самый показательный "например" - это судно с гибридной силовой установкой "Гринлайн". Форма корпуса - "переходник" с округлым днищем на большей части длины с плавным переходом в корме к чему-то напоминающему глиссирующие обводы с острой скулой... сами посмотрите. Вот фото на малом и полном ходу. Обратите внимание на то, что если на малом (эксплуатационном) ходу всё выглядит вполне красиво, то на полном судно создаёт большое количество брызг, волну, да ещё и идёт с достаточно заметным кормовым дифферентом. То есть ход явно неэффективный.
Самый информативный снимок - последний. На нём видно не только замывание бортового участка в корме, но и бортовой брызгоотбойник, предназначенный для уменьшения этого замывания при ходе судна на волнении.

 

[КиЖиМ]

На полном ходу суда ведут себя по разному, но у большинства всё-таки волны, брызги и задранный рост... рождённый водоизмещать всё-таки глиссировать не может.

 

[КиЖиМ]

Некоторые образцы имеют ещё худшие результаты - большой пребольшой бурун в носу и "никакой" прирост скорости. Виной тому запредельная масса корпуса и форма, предназначенная для неспешных путешествий. Вот это и показывает, что сама по себе мощность ничего не решает. Судно - это комплекс в котором должно всё соответствовать друг другу...
Иначе получается "утюг".

 

[КиЖиМ]

Лучше других на высокой скорости выглядят суда, которые спроектированы в расчёте на высокую скорость движения (с высокими числами Фруда). Форма корпуса у них максимально приближена глиссирующим обводам типа "закрученное днище" с небольшой килеватостью в кормовой части. Для обеспечения устойчивости на курсе на таких судах часто приходится устанавливать небольшие кили. Чаще всего их изготавливают из алюминиевых сплавов. Однако именно эти их особенности, которые обеспечивают относительно высокую скорость в сочетании с относительной экономичностью не позволяют им эффективно (плавно) проходить волну. Причина - большой объём корпуса в носовой части. Это означает слишком быстрое всплытие судна на волне... то есть - резкая продольная качка... не комфортно.

 

[КиЖиМ]

Для строителей этих судов тоже секретов нет. Выбранная ими форма корпуса является, по-сути, компромиссом. С одной стороны они обеспечивают острые ватерлинии ниже действующей ВЛ, что обеспечивает минимальное сопротивление. С другой - они делают резкий слом на скуле в носовой части в сочетании с большим развалом шпангоутов, что обеспечивает быстрый выход на глиссирование. То есть то, что их суда "не очень дружат" со встречной волной - предопределено желанием полнее использовать динамическую составляющую для экономичности движения.

 

[КиЖиМ]

Итак, показанные суда не могут эффективно перемещаться в условиях волнения. Их назначение состоит в другом - они могут либо использовав избыточную мощность двигателей попытаться уйти от плохой погоды, либо, использовав избыточный надводный борт, высокую остойчивость и прочную конструкцию корпуса спокойно пережить неприятности. Ну а что же делать, если есть необходимость продолжать плавание в условиях повышенного волнения? Очевидно, что форма корпуса и другие части единого механизма под названием "судно" должны быть другими. Какими конкретно, в каждом случае нужно решать индивидуально с учётом характеристик акватории плавания, более точного определения назначения судна, выбора его энергетической установки, материала корпуса и пр. То есть - возможны варианты. Хотя, на мой взгляд общие рекомендации всё же назвать можно.
В этом случае первым, кого можно порекомендовать, это Баадер. Его книга, выдержавшая несколько переизданий у нас и за рубежом. Его книга местами противоречива и выводы спорные, но большой опыт есть большой опыт... Итак. Баадер, как мантру всё время повторяет, что моторная яхта должна быть "узкая и длинная". Трудно спорить. Ведь глиссировать на большой волне занятие бесперспективное в общем случае, поэтому понятие "высокой скорости" в этом случае достаточно относительное. Второе - куда более заметное место начинает занимать задача устойчивости на курсе. Третье - это "комфортная качка" (хотя, как качка может быть комфортной?). Само собой разумеется, что про остойчивость забывать тоже нельзя.
Исходя из этих основных положений и нужно начинать рассуждения.

 

[Telenkov]

Евгений совет нужен. Хочу риб сварить, буду делать с лыжей, килеватость 14, ширина жесткого днища 1500 мм, длинна будет где то 4000 - 4500 мм, мотор 30+. Не могу определиться какую лыжу делать, прямую или клиновидную, ну и по ширине 250 мм будет достаточно или пошире надо. Может её высчитать как нибудь можно?

 

[КиЖиМ]

Евгений совет нужен. Хочу риб сварить, буду делать с лыжей, килеватость 14, ширина жесткого днища 1500 мм, длинна будет где то 4000 - 4500 мм, мотор 30+. Не могу определиться какую лыжу делать, прямую или клиновидную, ну и по ширине 250 мм будет достаточно или пошире надо. Может её высчитать как нибудь можно?

При ширине 1500 лучше длину принять 4500. "Лыжа" килеватая нужна исключительно для обеспечения устойчивости на курсе на самом полном ходу (если про это)... если не про это, то чем длиннее будет лыжа, тем больше будет её площадь, а следовательно больше сила гидродинамического поддержания. Другими словами лодка будет быстрее выходить на глиссирование и скорость максимальная на тихой воде тоже может получиться больше... 250 - вполне нормально. Хотя на поворотах на некоторых режимах движения есть вероятность попадания "следа" срыва потока в плоскость винта. Но это уже из области домыслов. Посчитать, к сожалению, ничего нельзя. Только опыт.

 

[КиЖиМ]

Продолжим рассуждения... итак, судно для плавания в условиях волнения. Придётся рассматривать элементы конструкции отдельно, что неправильно, в общем-то...
Соотношение длины и ширины примем умеренным, с учётом высоких требований к остойчивости и приемлемых скоростей... примерно 4 (+-, разумеется). Форма корпуса - для переходного режима движения. То есть - с широкой кормой. О миделевом сечении и корме чуть позже. Сначала - форма носа. В районе перехода форштевня в киль сечение шпангоута должно представлять из себя что-то близкое к простому клину. Нужно понимать, что чем острее будет этот клин, тем глубже судно нырнёт в волну, а чем клин будет тупее, тем больше воды скопится на палубе и её нужно будет слить за борт, иначе есть риск не успеть вынырнуть до подхода следуюшей волны. Впрочем, площадь палубы в носу можно уменьшить другими способами. Можно также увеличить в носовой части высоту борта. Это может быть седловатость палубы, фальшборт или уступ. Может быть ещё шпангоут в виде клина с переменным углом, то есть чем выше, тем тупее. Получится вроде подвески с прогрессивной характеристикой (это для автомобилистов).
Вателинии должны быть острыми, для уменьшения сопротивления. Можно чем выше, тем тупее.
Миделевое сечение может быть с круглой скулой (в варианте упрощённых обводов - со двойным сломом) или с одинарным сломом. Чем выше скорость судна, которую мы хотим получить (чем мощнее двигатели), тем выше вероятность выбора второго варианта. Первый хорош более плавной бортовой качкой...

 

[Telenkov]

Спасибо.

 

[КиЖиМ]

Очень большое значение имеет форма батоксов в кормовой части судна. Можно даже сказать, что ходкость в носовой части определяется формой ватерлиний, а в корме - формой батоксов. Всё просто - "правильная" форма батоксов не должна допускать возникновения турбулентных завихрений... это - дополнительное сопротивление. Вторая важная задача, которую нужно решить в этот момент - свободное поступление воды к движителю. Причём опять-таки желательно без турбулентных вихрей и, тем более, без воздушных пузырьков в струе.
На относительно тихоходных судах батосы должны плавно подниматься по направлению к корме. Чем выше скорость, тем менее крутым должен быть подъём. На скоростях, близких к режиму глиссирования, в корме нужно обеспечить срыв потока. То есть корма должна быть транцевой. Это - "в целом", а дальше - индивидуальные особенности судна. Транец может быть округлым, ломанным или просто плоским.
Кстати, о транце и волне... понятно, что волна может встретить судно не только с носа, но и под разным курсовым углом, и с кормы тоже. Поэтому когда проектируется форма кормовой оконечности, то нужно очень серьёзно подумать о её форме... не только подводной части, но и надводной... Именно большой объём в кормовой части у судов с формой корпуса для переходного режима движения создаёт серьёзные неприятности с устойчивостью на курсе на попутном волнении... Как говорил тов. Сухов - "корма - дело тонкое..." Ну или что-то типа того...

 

[КиЖиМ]

Пример удачного мореходного судна в стиле "траулер" для небольших скоростей движения. Корпус упрощённых обводов с двойным сломом скулы и широкой округлой кормой. Обратите внимание на избыточную высоту надводного борта и переменный развал шпангоутов в носу. То есть острые ватерлинии в подводной части в сочетании с хорошей шириной палубы в носовой части, что позволило удобно разместить элементы якорного и швартовного устройств.

 

[КиЖиМ]

Ещё одно судно в стиле "траулер" немного меньших размеров. Корпус на этот раз имеет "нормальные" округлые формы, что безусловно усложняет технологию изготовления. Вместе с тем подъём батоксов в корме отсутствует, что в сочетании с транцевой кормой позволяет, при наличии двигателя соответствующей мощности достичь вполне серёзной скорости, хотя и в не самом выгодном режиме - скажется большая площадь омываемой поверхности (большом сопротивлении движению). Если предыдущее судно можно изготовить из стали, то это лучше изготовить из алюминиевого сплава.

 

[КиЖиМ]

Несмотря на то, что оба эти судна очень разные (специально подбирал), но всё же одна деталь у них одинаковая. Нижняя кромка транца проходит как раз в районе ватерлинии. У тихоходного варианта она проходит чуть выше, а у быстроходного едва входит в воду. То есть наличие транца, как такового, не создаёт дополнительного сопротивления движению.
Так же сделаны, например, наши "Престиж" ( http://kizhim.ru/projects/individual/53-34 ), "Мул" ( http://kizhim.ru/projects/individual/50-31 ) и другие подобные. Всё это суда предназначенные для не очень хорошей погоды и плавания в широком диапазоне скоростей. Иногда их называют "двухрежимные". Престиж и Мул отличаются только тем, что они предназначены больше для рек и озёр, чем для моря... но принципы проектирования примерно одинаковые.