CC BY
87
УДК 629.57.001.63:629.5.015.1/.4
Ф. Ф. Тхань, А. М. Крыжанов, Ю. А. Двойченко, Е. М. Бремзен
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПАТРУЛЬНО-РАЗЪЕЗДНОГО МАЛОГО АМФИБИЙНОГО СУДНА НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ С ГИБКИМ ОГРАЖДЕНИЕМ БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА
Рассмотрены результаты научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы по созданию проекта малого патрульно-разъездного амфибийного судна на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа. Прототипом послужило малое пассажирское судно на воздушной подушке «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек»). Данное судно имеет ряд недостатков: недостаточная управляемость на малых скоростях; высокие энергозатраты на подъемный комплекс; неоптимальная центровка; неудовлетворительная остойчивость. Задача исследований - поиск новых технических решений и формирование рекомендаций для проекта нового судна. Проводились как теоретические расчеты на основе российских и зарубежных методик, так и экспериментальная отработка предложенных технических решений. Установлено, что двухвинтовая схема движительного комплекса обеспечивает лучшую управляемость по сравнению с одновинтовой, что для патрульного катера имеет особое значение. Расположение нагнетательного комплекса в носу судна обеспечивает необходимое распределение масс. Предложен осевой нагнетательный вентилятор, расположенный в носу судна; двухмоторная силовая установка с двумя воздушными винтами; новая схема гибкого ограждения с увеличенным диаметром баллонов. Построена самоходная модель для исследования особенностей работы нагнетательной установки с носовым расположением вентилятора, проведены ее испытания. Предложен ряд рекомендаций по техническим решениям для проекта нового судна, учитывающих Правила Российского речного регистра, в том числе в части остойчивости, управляемости и безопасности. На базе рекомендаций разработан технорабочий проект и построено головное судно проекта «Орион». Максимальная скорость нового судна увеличилась до 90 км/ч. Коэффициент утилизации дедвейта - 0,5, что является хорошим показателем для данного типа судов.
Ключевые слова: амфибийное судно, гибкое ограждение, баллонеты, патрульно-разъездное судно, маршевый винт, нагнетательный вентилятор, дедвейт.
Введение
Амфибийное судно на воздушной подушке является незаменимым средством для выполнения задач патрулирования и береговой охраны, особенно в труднодоступных районах. Такое судно способно двигаться по воде, снегу, льду, грунту, преодолевать отмели, болота, торосы и прочие препятствия; имеет высокие маневренные характеристики (способность выполнить разворот на месте на 360 ° за несколько секунд). При этом данный тип судна способен развивать значительную скорость при движении по относительно ровной опорной поверхности.
С учетом вышеизложенного перед нами стояла задача создать проект малого патрульно-разъездного амфибийного судна на воздушной подушке (СВП). Прототипом послужил амфибийный прогулочный катер (рис. 1) с гибким ограждением баллонетного типа проекта «Галф» (разработка и производство компании ЗАО «Н Ситек» [1].
Судно-прототип обладает хорошими скоростными характеристиками (максимальная скорость на тихой воде - 70 км/ч), имеет простую конструкцию, что позволяет производить несложный ремонт в полевых условиях. Применение гибкого ограждение баллонетного типа обеспечивает минимальный расход воздуха для создания воздушной подушки, близкой к данному показателю для скеговых неамфибийных СВП, при этом податливость надувных скег наделяет судно свойством амфибийности, присущим СВП с гибким ограждением классического типа [2].
При всех указанных преимуществах судно имеет ряд недостатков, не позволяющих получить приемлемые технические характеристики:
- остойчивость судна, которая не соответствует Правилам полетов по приборам (ППП) [3];
- значительное различие в положении центра масс судна порожнем и грузом, не позволяющее выдерживать оптимальный угол дифферента при движении;
- недостаточная управляемость на малых скоростях;
- высокие энергозатраты на нагнетательный комплекс.
Рис. 1. Общий вид прототипа
Все это обусловило необходимость проведения научно-исследовательской и опытно конструкторской работы для решения поставленной задачи.
Методики и результаты исследований
Нами был проанализирован ряд российских и зарубежных проектов амфибийных СВП с гибким ограждением классического [4-6] и баллонетного [2] типов. На основе результатов исследований произведены расчеты основных параметров проектируемого судна как для СВП с гибким ограждением классического типа, так и для скеговых неамфибийных СВП. Однако указанные расчеты не учитывают особенности функционирования гибкого ограждения балло-нетного типа, которое занимает некоторое промежуточное положение между двумя вышеупомянутыми разновидностями ограждений воздушной подушки. В связи с этим большая роль отводится натурным экспериментам, для проверки функционирования аэрогидродинамичекой компоновки с альтернативным расположением нагнетательного вентилятора (рис. 2).
Рис. 2. Опытный образец СВП с носовым расположением нагнетательного вентилятора
По результатам научно-исследовательской работы был разработан и построен опытный образец судна «Орион» (рис. 3) с учетом следующих рекомендаций.
Рис. 3. СВП проекта «Орион»
1. Двухъярусная двухбаллонетная схема гибкого ограждения, примененная на прототипе проекта «Галф», является приемлемой для разработки, на ее базе, гибкого ограждения на новом проекте судна.
2. Основные габариты судна проекта «Галф» являются практически оптимальными для проекта СВП данного типа, исходя из условия минимальной массы конструкции при требуемых ходовых, маневренных, амфибийных характеристик и минимальных энергетических затратах маршевого и подъемно-нагнетательного комплекса.
3. В связи с расположением нагнетательных вентиляторов в носу судна за ходовой рубкой и в непосредственной близости от маршевого винта, наблюдается искажение оптимального поля скоростей у входного устройства нагнетательных вентиляторов от действия маршевого винта и потоков, сходящих с рубки. Это значительно снижает КПД подъемно-нагнетательного комплекса. На новом проекте СВП рекомендуется применить нагнетательный вентилятор с носовым расположением, прототип которого отработан на самоходной модели. Помимо повышения эффективности подъемно-нагнетательного комплекса такое расположение вентилятора с его приводом обеспечит оптимальную центровку судна.
4. Прототип судна проекта «Галф» разрабатывался в соответствии с требованиями Государственной инспекции по маломерным судам. В нем не учтены требования к снабжению и оборудованию данного типа судов, предъявляемых ППП. Для нового проекта была разработана новая схема общего расположения, в которой учитывалось размещение радиосвязного и навигационного оборудования, снабжения, спасательных средств, отвечающих требованиям класса «Р» Российского речного регистра.
5. Маршевый движитель одновинтовой схемы ухудшает управляемость, особенно на малых скоростях, что обусловлено наличием реактивных и гироскопических моментов от вращающегося коленчатого вала двигателя, трансмиссии, воздушного винта, а также связано с асимметрией аэродинамического следа за воздушным винтом. Воздушный руль, расположенный за кольцевой насадкой маршевого винта, имеет недостаточную эффективность при низких оборота и малых скоростях движения. Для нового проекта СВП была предложена двухдвига-тельная двухвинтовая схема, с вращением винтов в противоположные стороны. Это обеспечило повышение управляемости на малых скоростях хода за счет «разнотяга» двигателей, уравновешивания моментов от вращающихся винтов и симметричного поля скоростей, за счет разнонаправленного вращения маршевых винтов.
6. На новом проекте СВП рекомендуется установить систему изменения давления в баллонах нижнего яруса для повышения проходимости судна при движении по неровной поверхности.
Заключение
По результатам ходовых испытаний нового СВП проекта «Орион» подтвердилась правильность рекомендаций, разработанных на стадии научно-исследовательской работы. По сравнению с прототипом новое судно обладает повышенной маневренностью на малых скоростях, максимальная скорость на тихой воде увеличилась до 90 км/ч. Коэффициент утилизации дед-
вейта - 0,5, что является хорошим показателем и говорит о рациональности архитектурно-компоновочных решениях судна. Данный проект обладает достаточной поперечной устойчивостью, соответствующей требованиям Правил Российского речного регистра.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. URL: http://www.nsitek.ru (дата обращения: 10.07.2014).
2. Кальясов П. С. Численное моделирование аэрогидродинамики амфибийных судов на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа: дис. ... канд. техн. наук / П. С. Кальясов. Нижний Новгород: ННГУ им. Н. И. Лобачевского, 2011. 137 с.
3. Российский речной регистр. М., 2002. Т. 2 // URL: https://standartgost.ru/b/pkey-14293827287.
4. Yun L. Theory and design air cushion craft / L. Yun, A. Bliault. London: Arnold, 2000. 647 p.
5. Ваганов А. М. Проектирование скоростных судов / А. М. Ваганов. Л.: Судостроение, 1978. 279 с.
6. Колызаев Б. А. Особенности проектирования судов с новыми принципами поддержания / Б. А. Колызаев, А. И. Косоруков, В. А. Литвиненко, Г. И. Попов. Л.: Судостроение, 1974. 324 с.
Статья поступила в редакцию 24.09.2014, в окончательном варианте - 05.11.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Тхань Фам Фу - Россия, 603950, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; аспирант кафедры «Кораблестроение и авиационная техника»; ship@nntu.nnov.ru.
Крыжанов Арсений Михайлович - Россия, 603003, Нижний Новгород; ООО «Судостроительная компания «Аэроход»; инженер-исследователь; AKbober@mail.ru.
Двойченко Юрий Александрович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Кораблестроение и авиационная техника»; edbas@sandy.ru.
Бремзен Евгений Михайлович - Россия, 603022, Нижний Новгород; ЗАО «Н Ситек», конструкторская группа; инженер-конструктор; alex@nsitek.ru.
F. F. Than, A. M. Kryzhanov, Y. A. Dvoychenko, E. M. Bremzen
CHOICE AND JUSTIFICATION OF THE MAIN PARAMETERS OF SMALL PATROL LAUNCH AMPHIBIOUS HOVERCRAFT WITH FLEXIBLE EXTENSION OF BALLONET TYPE
Abstract. The results of the research and development work on ensuring the creation of the project of a small patrol launch amphibious hovercraft with a flexible extension of ballonet type. The prototype was a small passenger hovercraft "Gulf" (designed and produced by the company Ltd "N Sitek"). This ship has several disadvantages, such as lack of controllability at low speeds, high energy expanses on the lifting complex; not optimal alignment and poor stability. The aim of the studies was to search new technical solutions and recommendations for the project of the new vessel. Both theoretical calculations on the basis of domestic and foreign techniques and experimental testing of the proposed technical solutions were made. It is established that two propulsion scheme provides better manageability, compared with the single propeller system that has a special significance for a patrol boat. The location of the compressor complex in the vessel's head provides the desired mass distribution. There was proposed an axial compressor fan located in the ship's head; a twin-engine power plant with two propellers; a new scheme of flexible extension with larger diameter cylinders. An automotive model for studying the operational characteris-
tics of compressor installation with the ship's head fan is designed and its tests are carried out. A number of recommendations on technical solutions for the project of the new vessel, taking into account the Rules of the Russian River Register, including in terms of stability, controllability and safety, is proposed. On the basis of these recommendations there was developed a technological operational design and the vessel of the project "Orion". The maximum speed of the new vessel, compared with the prototype, increased from 70 to 90 km/H. The coefficient of utilization of deadweight - 0.5, which is a good indicator for this type of the vessels.
Key words: amphibious craft, flexible extension, ballonet, patrol vessel, sustained propeller, compressor fan, deadweight.
REFERENCES
1. Available at: http://www.nsitek.ru (accessed: 10.07.2014).
2. Kal'iasov P. S. Chislennoe modelirovanie aerogidrodinamiki amfibiinykh sudov na vozdushnoi podushke s gibkim ograzhdeniem ballonetnogo tipa. Dis. kand. tekhn. nauk [Numerical modeling of air-hydrodynamics of amphibious hovercrafts with flexible extension of ballonet type. Dis. cand. tech. sci.]. Nizhny Novgorod, NNGU im. N. I. Lobachevskogo, 2011. 137 p.
3. Rossiiskii rechnoi registr [Russian River Register]. Moscow, 2002. Vol. 2. Available at: https://standart gost.ru/b/pkey-14293827287.
4. Yun L., Bliault A. Theory and design air cushion craft. London, Arnold, 2000. 647 p.
5. Vaganov A. M. Proektirovanie skorostnykh sudov [Designing speed vessels]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1978. 279 p.
6. Kolyzaev B. A., Kosorukov A. I., Litvinenko V. A., Popov G. I. Osobennosti proektirovaniia sudov s novymiprintsipamipodderzhaniia [Peculiarities of designing the vessels with new principles of stability]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1974. 324 p.
The article submitted to the editors 24.09.2014, in the final version - 05.11.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Than Fam Fu - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseeva; Postgraduate Student of the Department "Shipbuilding and Aerotechics"; ship@nntu.nnov.ru.
Kryzhanov Arseniy Mikhailovich - Russia, 603003, Nizhniy Novgorod; Ltd Shipbuilding company "Aerohod"; Research Engineer; AKbober@mail.ru.
Dvoychenko Yuriy Aleksandrovich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseeva; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department "Shipbuilding and Aerote-chics"; edbas@sandy.ru.
Bremzen Evgeniy Mikhailovich - Russia, 603022, Nizhniy Novgorod; Ltd "N Sitek", designing group; Design Engineer; alex@nsitek.ru.
