Пути увеличения скорости водоизмещающего судна

УДК 656.6 Костенко Виктория Николаевна Одесская национальная морская академия, факультет судовождения на морских и внутренних водных путях 2 курс, группа 1221

Руководитель - доц. Сиряченко В.Ф., кафедра теории и устройства судна

ПУТИ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ВОДОИЗМЕЩАЮЩЕГО СУДНА

Морские и океанские акватории, покрывающие 2/3 поверхности Земли, в течение многих веков являются естественными транспортными артериями между островными и прибрежными странами. Морской транспорт остается основным видом, способным обеспечить большие грузопотоки между континентами, а освоение минеральных и биологических ресурсов мирового океана еще более повышает роль морского флота. Однако скорость транспортных судов мало изменялась за прошедшие века, и уже не соответствует темпам развития современной экономики.
В поисках путей повышения скорости предпринимались попытки отделить суда от поверхности воды и таким образом избежать ограничений скорости. Однако водоизмещающие суда по-прежнему остаются наиболее практичными, экономичными и комфортабельными. Поэтому приходится, насколько это возможно, устранять присущие им недостатки или в крайнем случае мириться с ними.
Водоизмещающие суда испытывают значительное сопротивление воды и достигнув скорости порядка 40 узлов, уже не могут существенно прибавить в скорости (и в экономичности), даже если мощность энергетической установки будет существенно увеличена. Поэтому проблему увеличения скорости судна невозможно решать без рассмотрения каждого вида сопротивления, которое на него оказывается.
Корпус, движущийся в воде, испытывает сопротивление воды и воздуха, препятствующее его движению. Сопротивлением воздуха можно пренебречь. Сопротивление воды складывается из сопротивления трения, формы и волнового сопротивления.
Известна старая идея Ньютона, описывающая давление, оказываемое ударным слоем на корпус судна. Используя ее содержание для определения силы сопротивления, расчётная формула принята в следующем виде:

Исследования показали, что зависимость полного сопротивления судна от скорости не является квадратичной, и при разных числах Фруда коэффициент k₁ меняется в пределах 2 < k₁ < 3 в зависимости от угла входа действующей ватерлинии.
Значительная часть мощности двигателя затрачивается на преодоление важной части сопротивления — трения воды о корпус судна.
В настоящее время существует множество методов, идей и проектов, направленных на управление пограничным слоем с целью снижения турбулентности, от традиционных до экзотических.
Главный традиционный метод - докование судна с обязательной очисткой подводной части корпуса и покрытием его противообрастающими красками.
Экзотических разработок методов уменьшения сопротивления трения в настоящее время довольно много.
Например, добавка химикатов. Известны результаты испытания, проведенного в 1968 г. на английском минном тральщике «Хайбэтон», когда из носовой части судна во время хода постоянно выпускали очень слабый раствор полиоксиэтилена. Сопротивление трения катера благодаря этому уменьшалось в зависимости от скорости и волнения на 22—36%, экономия мощности двигателя составила 12—20%. Однако экономия топлива не покрыла расходов по использованию полимера.
Любопытным, однако, в некотором роде непрактичным, может показаться система воздушной смазки, принцип работы которой основан на сокращении сопротивления между корпусом судна за счет использования воздушных пузырьков, создаваемых под корпусом. В ходе испытаний, проведенных в 2010 на грузовом судне Yamatai, выяснилось, что пузырьковая система позволяет экономить 10% топлива с учетом расхода электроэнергии на работу воздушных компрессоров.
Также учеными из США было создано покрытие, основанное на принципе кожи дельфина. Чтобы запустить механизм очистки, нужно приложить к данному материалу электроимпульс или же повысить оказываемое на него давление. Тогда он сморщивается, при этом закрепившиеся на его поверхности биоплёнки, и в итоге сами отваливаются.
Интересным направлением является конструктирование судов с выемками (лунками на обтекаемой поверхности), используя явление движения мяча для гольфа. Известно, что оставляемый мячом с лунками вакуумный след меньше, чем обычным мячем, а торможение его – слабее. Поэтому, можно предположить, что конструирование судов с выемками на корпусе может помочь сделать само судно более эффективным, значительно уменьшив его сопротивление трения.
Еще одно экзотическое направление – создание супергидрофобной поверхности судна на основании природной модели водяного папоротника salvinia molesta. Исследователи полагают, что, воспроизведя механизм, с помощью которого salvinia molesta выходит сухой из воды, можно будет экономить до 10% горючего при эксплуатации судов.
Вторая составляющая полного сопротивления - это сопротивление формы, у некоторых типов судов (особенно у барж) оно может составлять до 50 % полного сопротивления. Поэтому на сегодняшний день важной задачей является проектирование оптимальной формы корпуса судна. При нахождении оптимальной длины корпуса судна, например, необходимо помнить, что тихоходные суда, сопротивление которых состоит преимущественно из трения, выгодно строить относительно короткими, а быстроходные – удлиненными.
Однако главным препятствием на пути повышения скорости водоизмещающих судов является волновое сопротивление, так как по мере увеличения скорости оно возрастает примерно пропорционально четвертой степени.
Поиски способов уменьшения волнового сопротивления велись в различных направлениях и породили многочисленные предположения, многие из которых оказались фантастическими и непрактичными, а некоторые – весьма важными и перспективными.
Идея носового расположения движителя возникла у австрийского инженера Виктора Шаубергера. Носовой и кормовой винты предлагалось вращать в разные стороны. Циркулирующая при помощи винтов вода имеет при этом форму вытянутого тора, а движение судна должно было происходить за счет трения этого тора с окружающей водой. Но, к сожалению, эта идея не нашла своего практического применения в судостроении ввиду того, что «активный носовой бульб» неудобен в эксплуатации - он затрудняет маневрирование, а также затрудняют отдачу якорей.
В основе плавникового движителя лежит «коньковый ход», используемый большинством рыб и китообразных. Поступательное движение рыбы обеспечивается своеобразным эффектом, возникающим при колебаниях хвостового плавника, который как бы соскальзывает со “щеки” водяного клина. В случае достаточно быстрого (импульсного) приложения силы со стороны плавника водяной клин приобретает свойства твердого тела, т.е. играет роль именно клина-ускорителя, с которого соскальзывает упругий гибкий плавник. Данная гипотеза проверялась в практическом использовании Г. Боуласом и Г. Семеновым на моделях катамаранов с плавниковыми движителями, а также исследователями Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.
Однако, в наше время наиболее практичным и общеприменимым способом уменьшения волнового сопротивления является использование интерферирующих устройств, к которым относятся бортовые були, носовые бульбы и подводные крылья.
Расчеты показывают, что для увеличения скорости хода судна при той же мощности его энергетической установки достаточно увеличить площадь носовых обводов, что можно осуществить с помощью использования носового бульба.
При его отсутствии недалеко от носа судна происходит отрыв потока, а с установкой бульба средняя скорость потока, обтекающего подводную часть корпуса, понижается в такой степени, что происходит уменьшение вязкостного сопротивления.
Также перспективным может оказаться использование двойного бульба на комбинированных судах.
Как показали испытания больших судов, уменьшение полного сопротивления благодаря использованию таких форм носовой оконечности составило 15%. Следует заметить, что сопротивление значительно уменьшается не только при движении судна в полном грузу, но и в балластных пробегах при малых осадках. Это означает, что эффективность бульба сохраняется и при его приближении к поверхности воды.
В заключение следует отметить, что путем выбора оптимальной формы носовой оконечности корпуса судна можно существенно уменьшить затраты мощности на преодоление волнового сопротивления. Однако и в настоящее время волнообразование по-прежнему остается сложным и неблагоприятным природным явлением, которое проектант не может не учитывать.

Список использованных материалов:
1. Шапиро Л.С. Самые быстрые корабли. – 2-е изд., перераб. и доп.- Л.: Судостроение, 1989. – С. 28-39.
2. Гилмер Т.С. Проектирование современного корабля/ Е.А. Будяковский, А.О. Виглина, Е.А. Широкова. – 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Судостроение, 1984. – С. 142-159.
3. Короткин А.И. Мифы и реальность гидробионики. – СПб.: МорВест, 2012. 88 с.
4. Басин А.М. Ходкость и управляемость судов. – М.: Транспорт, 1977. – С. 71-74.
5. Donnelly K.J. Reduction of Ship Resistance through Induced Turbulent Layers. – F.: Master of Science in Ocean Engineering, 2010. – 65 p.
6. Семенов Г. Катамаран с плавниковым движителем//Катера и яхты. – Вып. 169. – М.: Царь, 1999. – С.54-55.
7. Чижиумов С.Д., Беляев В.А., Кузнецов Д.С. Проекты плавниковых движителей. – Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет, 2012 – С. 57-63