CC BY
8УДК.659.5.015.141:629.57
Ф.Ф. Тхань, аспирант НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 603024, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24
ПРИБЛИЖЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ХОДКОСТИ ЛЕГКИХ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ГИБКИМ ОГРАЖДЕНИЕМ БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА
Ключевые слова: амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП), сопротивление движению, ходкость.
Используются данные испытания натурного судна. Для расчета скорости движения судов аналогичного типа определен коэффициент аэродинамического сопротивления, который можно использовать для расчета ходкости АСВП с подобными формами кабины и скегов. Произведена оценка ходкости АСВП с ГО баллонетного типа при движении в водоизмещающем режиме в условиях морского волнения. Приведены графические результаты расчетов и данные для приближенной оценки ходкости при проектировании АСВП.
Введение
Легкие амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) с гибким ограждением (ГО) баллонетного типа сочетают качества скеговых СВП, глиссирующих судов и амфибийных СВП [1] благодаря «мягким» скегам - баллонам, из-под которых происходит истечение воздуха, образуя воздушную смазку [2]. Поэтому АСВП обладает хорошей ходкостью на тихой воде и умеренном волнении. При эксплуатации в море в сложных гидрометеорологических условиях (ветер и волны больше допустимых значений) для безопасности судно должно переходить из режима парения на воздушной подушке (ВП) в водоизмещающий режим плавания на баллонах, представляя собой катамаран. При этом по требованиям Регистра для малых судов скорость движения должна быть не менее 11 км/ч.
В настоящее время отсутствуют расчетные методы установления связи между мощностью устанавливаемых двигателей, параметрами движителей - воздушных винтов (ВВ) и скоростью движения судна. Известные источники [3, 4] и др. рассматривают ходкость СВП классического типа и могут помочь при определении некоторых составляющих сопротивления. Большую роль в этом вопросе играют данные экспериментов, обобщенные графическими зависимостями и эмпирическими формулами, мало пригодными для АСВП с баллонетным ГО. Поэтому здесь представлена попытка восполнить этот пробел на основе имеющихся данных испытания натурного судна «Галф», построенного фирмой «Н-Ситек».
Исходные зависимости и методы.
Характеристикой ходкости, как сравнительной оценки эффективности движи-тельного комплекса служит пропульсивное (ходовое) качество
К = D • g • и./Н, (1)
где и - скорость движения судна, м/с; Б - водоизмещение судна, т; N - мощность силовой установки, кВт.
Характеристикой ходкости также является пропульсивный коэффициент
П = Яи / N (2)
где Я - сопротивление движению судна.
Важной характеристикой является входящее в (2) произведение N = Я^и - буксировочная мощность судна.
Гидродинамическое качество, привнесенное из авиации (там оно носит название аэродинамического качества) является отношением силы веса судна к сопротивлению движения:
Кг =gD/Я. (3)
Еще одной важной характеристикой ходкости является «адмиралтейский коэффициент», более близкий к физической сути движения водоизмещающих судов
Са=В1!ъ-иъ/Ы. (4)
Данные судна и характеристики (1) - (4) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристики АСВП «Галф»
Наименование Значение Наименование Значение
Водоизмещение D, т 2,080 Упор движителей (два ВВ) на швартовых, кН 3,6
Длина и ширина ВП: Ввп х Lвп, м 3,05x8,1 Производительность подъемного вентилятора Qпв, м3/с 7,9x2
Давление в ВП, рвп, кПа 0,82 Число Фруда на ВП Fr=u/VgLвn 3,11
Площадь поперечного контура Sм, м2 7,2 Число Фруда без ВП Fr=uПл/VgLвn 0,73
Скорость на ВП и/ скор. без ВП ипл, м/с 27,8/3,3 Относительное удлинение ВП ^^вп=Lвп/Ввп 2,65
Мощность СЭУ установленная N кВт/л.с. 280/206 Пропульсивное качество К на ВП (1) 4,18
Мощность ЭУ на движение Мдв, кВт 169,2 Пропульсивный коэффициент п 0,8
Мощность ЭУ на подъем Nвn, кВт 18,4x2=36 Гидродинамическое качество Кг , (3) 6,11
Упор движителя (один ВВ) на швартовых, кН 4,8 Адмиралтейский коэффициент на ВП/без ВП (4) 207/0.354
Для определения составляющих сопротивления АСВП «Галф» недостаточно данных по многим коэффициентам приведенных в литературе и входящих в известные формулы составляющих сопротивления движению на ВП [3]. Поэтому для практического использования имеющихся данных по ходкости составляющие были разделены на две группы, первая из которых зависит от и2, другая имеет другие формы зависимости. В этом случае полное сопротивление будет определяться выражением:
Я = {0,5С„ • р а ^^ + £ „ • Р в -О см • £ + Кго • Ввп • рвп} (5)
где 0,5Сха -ра • SМg - профильное аэродинамическое сопротивление; £ ск • р в -О см ■ £ - сопротивление скегов соприкасающихся с водой через воздушную
смазку на площади ^см; Кго ■ Бвп ■ рвп - профильное сопротивление передних и задних гибких завес ГО;
? ост • & • Б - остаточное сопротивление; р • Q и - импульсное сопротивление.
Выделяя из общего сопротивления скоростную составляющую, пропорциональную и2, получим:
R=R - ^Б+рд и. (6)
Считая, что полная тяга воздушного винта приближенно равна сопротивлению и вычитая из него составляющие, не зависящие от скорости во второй степени получим значение коэффициента, , связанного со скоростными составляющими из известной зависимости
R = С • 5 (7)
а ~а 2 м (7)
Используя данные по движению АСФП «Галф» на спокойной воде (рис. 1) были получены следующие значения составляющих.
Импульсное сопротивление Яи составляет 0,52 кН при скорости 100 км/ч (27,8 м/с) и остаточное Яост = 0,2 кН. Полное сопротивление движению приближенно считаем равным тяге на швартовых Я = 4,88 кН (табл. 1), тогда Яа ~ 2,7 кН и из формулы (7)
С а =-1Яа-, откуда Са = 1,44.
Ра•и •5М
Относительно небольшое значение коэффициента сопротивления обусловлено хорошо обтекаемой формой кабины, которая создавала дополнительную подъемную силу, что было обнаружено при форсировании скорости до 110-115 км/ч. Это привело к отрыву АСВП от поверхности воды, как показано на рис. 2. Это явление крайне опасно и было прекращено остановкой двигателя.
Рис. 1. Движение АСВП «Галф» на поверхности спокойной воды со скоростью 98-100 км/ч (по данным, полученным с помощью GPS)
Рис. 2. Отрыв АСВП от поверхности воды на скорости 110-115 км/ч
Результаты.
Искомые данные для определения параметров ходкости построены в двух вариантах, первый основан на использовании всей мощности без разделения мощности двигателя на подъемный вентилятор и маршевый движитель (ВВ). Для этого можно использовать значение адмиралтейского коэффициента (4) и результатом будет являться полная мощность двигателя.
Второй способ учитывает только мощность, идущую на преодоление сопротивления без учета затрат на работу подъемных вентиляторов. Предполагается, что судно движется по поверхности невзволнованной воды («тихой воды») равномерно, без ускорения. В этих условиях волновое сопротивление пренебрежимо мало. Такое допущение справедливо для числа Fr = и/g • L ВП > 3.5 при относительном удлинении
близким к удлинению испытанного судна Ввп /Lвa -2,7.
Результат расчета с помощью зависимостей (6) и (7) показан на рис. 3. Следует отметить, что их использование предполагает хорошо обтекаемую форму кабины судна, подобную показанной на рис. 1.
Рис. 3. Зависимость требуемой мощности маршевого движителя (ВВ) (пересчет по коэффициенту сопротивления)
Кроме движения на ВП рассматривался вопрос о движении судна в водоизме-щающем режиме. Для определения сопротивления использовались известные зависимости для скеговых СВП [4] и малых водоизмещающих судов [5]. Для оценки волнового сопротивления было использовано то, что в расчетном районе плавания АСВП предельные условия включают высоту волны 1.2 м, половина длины которой приближенно совпадает с длиной АСВП, наибольшее сопротивление будет при движении вверх по волновому склону, как показано на рис 4.
Не приводя известные формулы для расчета сопротивления водоизмещающего судна дается конечной результат расчета, показанный на рис. 5.
Сопротивление завес определялось по формуле [4]:
Rго = 175(и-)2 BВП • R1, кН, (8)
как для плохо обтекаемого тела, R1 - радиус баллона - скега. Из графика видно, что для плавания в морских условиях легкие АСВП при малой тяге воздушных винтов (ВВ) должны иметь механизм подъема завес между баллонами, поскольку минимально допустимая скорость для малых водоизмещающих судов, регламентируемая Морским Регистром из условий безопасного плавания, составляет 11 км/ч и необходимо иметь запас тяги винтов.
Применение двух движителей неэффективно с точки зрения ходкости, но может быть жизненно необходимо с позиций надежности в сложных эксплуатационных условиях.
^_ _Ш_
Рис. 4. Схема для оценки волнового сопротивления АСВП в водоизмещающем режиме: А - высота волны, X - длина волны, а - угол волнового склона
" 2 4 6 8 10 12 14 16 V, км/ч
Рис. 5. Сопротивление АСВП при движении в водоизмещающем режиме на волнении: 1 - сопротивление с учетом сопротивления носовой
и кормовой завес ГО, 2 - при поднятых завесах; R = T - тяга воздушного винта при одном винте диаметром 2 м (верхняя линия) и двух воздушных винтах диаметром 1.2 м
Заключение.
Проведенные испытания показали высокие скоростные характеристики легкого АСВП. Полученные результаты (рис. 3 и рис. 5) могут помочь в проектировании при оценке ходкости судов, подобных по геометрии испытанному судну. Следует учитывать особенности морских условий при проектировании ГО и произвести необходимые усовершенствования для обеспечения безопасности плавания в водоизмещающем режиме. При движении на ВП следует ограничивать скорость, особенно в условиях волнения и встречного ветра.
Список литературы:
[1] Тхань Ф.Ф. Выбор и обоснование основных параметров патрульно- разъездного малого амфибийного судна на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа / Ф.Ф.
Тхань, А.М. Крыжанов, Ю.А. Двойченко, Е.М. Бремзен // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. Морская техника и технология. - 2014. - № 4. - С. 34-37.
[2] Тхань Ф.Ф. Начальная остойчивость легких амфибийных судов на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа / Ф.Ф., Тхань, А.М. Крыжанов, Ю.А. Двойченко, Е.М. Бремзен // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер. Морская техника и технология. 2014. №1. С. 59-62
[3] Демешко Г.Ф. Проектирование судов. Амфибийные СВП: Учебник в 2-х кн. Кн.1 / Г.Ф. Де-мешко. - СПб: Судостроение, 1992. - 269 с.
[4] Смирнов С.А. Суда на воздушной подушке скегового типа / С.А. Смирнов // Л.: Судостроение, 1983. -216 с.
[5] Справочник по малотоннажному судостроению / сост. Б.Г. Мордвинов. - Л.: Судостроение, 1988. - 576 с.
THE SMALL AMPHIBIAN AIR-CUSHION VEHICLES MOVABILITY CHARACTERISTICS APPROXIMATE DETERMINATION WITH A FLEXIBLE BALLONET TYPE.ENCLOSURE SKIRT
F.F. Than
Keywords: amphibian air cushion vehicle (ACV), movability resistance, propulsion
A real model ship is used for tests. To calculate the analogical vessels movability rate, an aerodynamic resistance coefficient was determined. It can be used for the amphibian air cushion vehicle propulsion with the similar booth forms and a flexible «skirt». The amphibian air cushion vehicle with a flexible «skirt» propulsion estimation is made with its motion under the sea wave conditions. The calculation results and the propulsion approximate estimation data while designing an amphibian air cushion vehicle are represented graphically.
