Крылья в виде этажерки регулируют подъемную силу по тому же-принципу: с возрастанием скорости из воды выходят отдельные элементы «этажерки», уменьшая тем самым рабочую площадь и, следовательно, подъемную силу. Для плавности этого процесса отдельные элементы делают V-образной формы . Отличаясь примерно одинаковыми показателями с предыдущей схемой, этажерочные крылья обладают более низким гидродинамическим качеством из-за увеличения сопротивления вследствие неблагоприятного взаимодействия элементов этажерки; кроме того, они более сложны в изготовлении.
Количество стоек для крепления крыльев к корпусу мотосудна должно быть минимальным, но вместе с тем должно обеспечивать достаточную прочность и устойчивость всей системы.
Верхние части стоек для увеличения прочности делают обычно несколько толще. Высота стоек должна быть такой, чтобы корпус поднимался над водой на 0,15—0,50 м в зависимости от размеров мотосудна, требуемой мореходности, обеспечения ходового дифферента' 1,5—2,5° и нормальной работы гребного винта. Для уменьшения потерь на брызгообразование стойки рекомендуется устанавливать с небольшим наклоном вперед.
Площадь крыльев определяется для движения с расчетной скоростью v, но в момент отрыва корпуса от воды, когда скорость равна 40—60% расчетной, это уменьшение скорости компенсируется самоувеличением коэффициента подъемной силы Су. Происходит это по двум причинам.
Во-первых, в начальный период движения, до выхода на крыльевой режим, дифферент мотосудна больше, чем на расчетной скорости, а следовательно, больше угол атаки а крыльев. Коэффициент подъемной силы крыла увеличивается с увеличением угла атаки, в данном случае это увеличение составляет 20—50%.
Во-вторых, плоские полностью погруженные крылья на расчетной скорости погружены мало, а в момент отрыва их погружение значительно больше, что приводит к увеличению подъемной силы (на
50—100%).
Этих факторов достаточно для обеспечения отрыва от воды легких судов на подводных крыльях водоизмещением не более 1000 кг,-площадь крыльев которых определена по приведенной формуле при расчетной скорости v. Для более тяжелых мотосудов и при большой относительной скорости эту площадь следует увеличить в 1,5—2 раза. При пересекающих поверхность воды наклонных крыльях (см. рис. 63, а) это достигается за счет концевых участков или наклонных элементов, которые при малых скоростях погружены в воду и создают дополнительную подъемную силу, а с ростом скорости до расчетной выходят из воды. На мотосудах с плоскими, полностью погруженными крыльями для этой цели необходимо установить дополнительные крылья, глиссирующие элементы, закрылки и т. п., о которых
уже говорилось выше.
После расчета площади крыла по приведенной формуле определяют остальные его геометрические характеристики.
Смещение максимальной толщины на середину профиля несколько снижает гидродинамическое качество, но благодаря более равномерному распределению разрежения на верхней стороне крыла отдаляет момент наступления кавитации. Это явление заключается в следующем. Известно, что если при нормальном атмосферном давлении вода закипает при температуре 100° С, то при уменьшении давления точка кипения воды понижается (например, при давлении 0,024 атм вода закипает при 20° С). С возрастанием скорости вследствие разрежения на верхней поверхности крыла давление там может уменьшиться до давления насыщенного пара, при котором начинает закипать вода с образованием пузырьков пара. При этом около крыла образуется полость, заполненная парами воды — вода как бы отрывается от крыла. От латинского слова cavitas — пустота и произошло название кавитации. В первой стадии кавитации такие каверны — пустоты образуются на небольшом участке крыла, в зоне максимального разрежения , поэтому гидродинамическое качество крыла существенно не меняется. Обтекание крыла в начальной стадии кавитации носит неустановившийся характер: каверны появляются, смываются потоком воды и снова появляются. Эту стадию кавитации сопровождает шум, иногда вибрация и, главное, сильное эрозионное разрушение материала крыла. Образующиеся в точке наименьшего давления кавитационные пузырьки потоком воды перемещаются по крылу и попадают в область более высокого давления. Здесь пузырьки, заполненные парами воды и воздухом, сначала сжимаются, а затем разрушаются. В освобождающееся пространство с большой скоростью устремляется вода. Это явление носит характер гидравлического удара, при котором вследствие весьма малой площади приложения возникают большие давления (до нескольких тысяч атмосфер). В результате поверхность крыла в месте замыкания каверн подвергается сильным и частым местным гидравлическим ударам, вызывающим механическое разрушение, так называемую кавитационную эрозию.
По мере повышения скорости, т. е. дальнейшего уменьшения давления, зона кавитации увеличивается, распространяясь все шире и ближе к задней кромке.
Вторая стадия кавитации наблюдается тогда, когда вся верхняя поверхность крыла охвачена кавитацией и замыкание каверны происходит вне крыла. В этом случае разрушение каверны, а следовательно, и гидравлические удары происходят в потоке за крылом и механическое разрушение не угрожает крылу.
Во второй стадии давление на крыле остается постоянным, равным давлению насыщенных паров. Из изложенного ясно, что работа крыла в области кавитации нежелательна. В первой стадии это приводит к разрушению крыла, а во второй — к снижению эффективности. Для того чтобы избежать кавитации и обеспечить наиболее высокие качества, подводные крылья должны иметь:
1) острые входящие и выходящие кромки;
2) минимальную толщину, необходимую по условиям прочности; практически относительную толщину принимают б = 0,04-^-0,08, причем при верхнем пределе крыло получается более прочным, но в большей степени подвержено кавитации;
3) расчетный угол атаки, не превышающий 1,5—3°; ' 4) гладкую поверхность (лучше полированную).
Изображенные на рис. 66 профили крыльев разработаны с учетом этих рекомендаций.
Схема с малопогруженными крыльями, разработанная в нашей стране, получила широкое распространение на речных СПК. Малопогруженные крылья также обладают свойством автостабилизации (саморегулирования). При подъеме судна вследствие увеличения скорости подводное крыло приближается к поверхности воды и, когда глубина погружения становится меньше хорды крыла, подъемная сила его начинает уменьшаться, составляя в предельном случае — при скольжении пластины по поверхности воды — примерно V3 полной подъемной силы крыла. Происходит это вследствие изменения толщины слоя воды над верхней поверхностью крыла, т. е. вследствие изменения массы воды, которой сообщаются ускорения, вызывающие разрежение . Этот способ поддержания постоянства подъемной силы крыльев возможен при движении их вблизи свободной поверхности, поэтому такие крылья и называют малопогруженными.
Схема с малопогруженными крыльями обладает высоким гидродинамическим качеством, обеспечивает быстрый выход на крыльевой режим (при меньшей скорости), ее габаритные размеры по ширине и глубине меньше по сравнению с предыдущими схемами, она проста в изготовлении.
Основной недостаток рассматриваемой схемы — невысокие мореходные качества вследствие чувствительности к волнению. При прохождении над крылом вершины волны, т. е. при большем погружении, его подъемная сила увеличивается, а в момент прохождения подошвы волны крыло погружено минимально, и подъемная сила резко падает. Это приводит к большим вертикальным колебаниям судна, сильным ударам корпуса о воду и к значительному снижению скорости, вплоть до перехода на режим плавания.
Для улучшения мореходности мотосудна с малопогруженными крыльями рекомендуется устанавливать дополнительные элементы.
Таким элементом может быть дополнительное крыло, установленное под основным . Благодаря бол ее глубокому погр ужению ономеньше подвержено влиянию волнения, создает постоянную подъемную силу, стабилизирующую движение СПК, но вместе с тем увеличивает габаритную осадку и легко может быть сломано. Другой вариант, лишенный этих недостатков — устройство уступа в основнбм крыле (рис. 63, б слева внизу). Угол при вершине уступа рекомендуется принимать 110—130°, а размах в пределах 0,4—0,5 полного размаха крыла. Площадь дополнительного крыла должна обеспечить подъемную силу, равную 30—50% подъемной силы основного крыла.
Возможен вариант и с установкой дополнительного крыла над основным , причем дополнительное крыло облегчает выход судна на крылья, а на расчетном режиме полностью выходит из воды. Ясно, что оно не может препятствовать проваливанию основного крыла на волнении, но демпфирует удары корпуса, так как при входе в воду создает дополнительную подъемную силу, уменьшая тем самым амплитуду килевой качки. Этой же цели служат и закрылки, устанавливаемые настойках .
Постоянство подъемной силы, т. е. равновесное движение мотосудна, в этом случае достигается тем, что с изменением скорости изменяется погруженная часть крыльев и, следовательно, их подъемная сила. Все три варианта этой схемы, показанные на рис. 63, а, имеют надежное саморегулирование подъемной силы, однако лучшим является вариант с V-образным крылом. Такое крыло обеспечивает-плавный отрыв корпуса с небольшим «горбом» сопротивления, хорошие мореходные качества на волнении (крыльевой режим движения не срывается при прохождении волн под корпусом) и достаточную остойчивость, так как при крене судна в воду входит свободный конец крыла (или наклонные части аркообразного или трапецеидального крыла), подъемная сила которого создает восстанавливающий момент. Изготовление крыльев по схеме а) относительно несложно (особенно V-образных), а их конструкция обеспечивает достаточную жесткость.
Вместе с тем эта схема обладает и рядом недостатков.
Гидродинамическое качество этих крыльев ниже, чем полностью погруженных вследствие дополнительного сопротивления из-за брызг, образующихся при пересечении крылом поверхности воды, большого градиента давлений на протяжении размаха крыла и возможного засасывания воздуха на верхнюю поверхность крыла (в зону разрежения), что приводит к уменьшению подъемной силы.
Для обеспечения поперечной остойчивости на расчетной скорости хода необходимо, чтобы оставшаяся в воде часть крыльев была достаточной ширины. Это приводит к большому размаху крыльев, обычно превышающему ширину корпуса, т. е. увеличивающему габариты мотосудна. V-образность крыльев приводит также и к увеличению габаритной осадки. Кроме того, мотосуда с крыльями, пересекающими поверхность воды, имеют худшую поворотливость по сравнению с судами на погруженных крыльях.
Любая система крыльевого устройства должна обладать определенными общими качествами, обеспечивающими нормальную эксплуатацию СПК:
1. Крылья должны создавать постоянную подъемную силу, равную весу судна, независимо от скорости. Если не соблюдать этого условия, то при изменении скорости крылья будут выходить из воды или корпус опускаться на воду.
2. Для получения высокого гидродинамического качества профиль крыла должен создавать максимальную подъемную силу при минимальном сопротивлении.
3. Система крыльев должна обеспечить достаточную остойчивость судна при расчетной скорости движения и выходе на крылья.
4. Крыльевое устройство должно обладать необходимой жесткостью и прочностью, при этом количество поддерживающих элементов (стоек, кронштейнов) должно быть минимальным для уменьшения дополнительного сопротивления движению.
5. Крыльевое устройство должно обеспечить нормальную работу движителя; по возможности иметь небольшие габариты и вес.
6. Крыльевое устройство должно обеспечить нормальное движение при заданном волнении воды.
В настоящее время на малотоннажных СПК применяют различные системы крыльев, в той или иной мере удовлетворяющие указанным требованиям. Наиболее распространены системы
а) V-образные, аркообразные или трапецеидальные наклонные крылья, пересекающие поверхность воды;
б) расположенные друг над другом крылья в виде этажерки;
в) малопогруженные крылья различных форм;
г) полностью погруженное крыло, расположенное близ ЦТ судна, и носовой глиссирующий поплавок.
Мотосуда в переходном режиме обычно имеют ЦВ на расстоянии 44—47% длины КВЛ от транца при О-образных и 39—45% при V-образных обводах. Центр тяжести мотосудов, предназначенных для начального периода режима, следует сместить в нос (до 10% длины КВЛ), однако для более быстроходных судов это должно быть меньше; к концу режима целесообразна кормовая центровка.
Нередко оказывается, что удовлетворительное по обводам мотосудно при нормальной удельной нагрузке на 1 л. с. не достигает ожидаемой скорости хода только из-за неправильного размещения весов, и это вынуждает производить переделку уже готового мотосудна. Предварительная центровка избавит от лишней работы.
Расчет центровки сводится к определению составляющих весов и их расстояния от точки начала отсчета плеч (транец, мидель). Как известно из механики, произведение силы (например, силы тяжести) на кратчайшее расстояние от прямой, вдоль которой действует эта сила, до некоторой точки называют моментом силы относительно этой точки.
Если относительно некоторой точки действует несколько параллельных сил, то плечо их равнодействующей определяют, разделив суммы всех моментов действующих сил относительно этой точки на сумму всех сил. Момент равнодействующей сил веса стремится повернуть тело (в данном случае мотосудно) относительно данной точки, и ему противодействует момент сил поддержания, направленный в противоположную сторону.
Точкой судна, относительно которой определяются моменты, в общем может быть любая (ЦВ, мидель-шпангоут), однако для судов с транцевой кормой практически удобнее принимать за такую точку кормовую кромку транца, а для судов с округлой кормой — мидель-шпангоут; при этом все моменты сил, расположенных в нос от точки отсчета, записывают со знаком «плюс», а в корму (например, подвесной мотор) — со знаком «минус».
При определении положения составляющих весов используют ориентировочный чертеж общего расположения, выполняемый в са мом начале разработки проекта . Положение ЦТ корпуса по длине открытой мотолодки можно в первом приближении с достаточной для наших целей точностью принимать на миделе; при наличии рубки вес и расстояние ее ЦТ от транца подсчитывают отдельно Для других составляющих веса непосредственно по чертежу замеряют расстояния от их ЦТ до точки отсчета. Расчет выполняют по таол. 61, при этом число составляющих весов может быть и больше в зависимости от типа мотосудна и принятой детализации.
Первое условие плавучести — равенство силы веса и силы поддержания. Выше при определении главных размерений рассматриваемого в качестве примера мотосудна было подсчитано, что при осадке Т — 0,18 м это равенство будет соблюдаться, причем небольшие отклонения веса или объема компенсируются изменением осадки, т. е. всплытием или погружением мотосудна.
Второе условие плавучести заключается в том, что равнодействующие сил веса и сил поддержания расположены в одной продольно-вертикальной плоскости — плоскости ДП. Когда мотосудно находится в покое или движется с незначительной скоростью, эти силы расположены на одной вертикали. Положение равнодействующей сил поддержания определяется положением ЦВ, координату которого хс рассчитывают способами, изложенными в § 7. Там для примера определена координата ЦВ проектируемой мотолодки, равная хс = —0,67 м от мидель-шпангоута или хс = 1,255 м от транца. Для того чтобы лодка в покое была «на ровный киль», т. е. без дифферента, необходимо так разместить грузы, чтобы их равнодействующая отстояла от транца также на 1,255 м. Это условие выражается равенством xg = хс, где xg — положение ЦТ по длине мотолодки .
Указанное условие справедливо только в состоянии покоя и в режиме плавания, когда силы веса уравновешиваются только гидростатической силой поддержания. В переходном режиме и при глиссировании, как известно, появляется дополнительная гидродинамическая сила и взаимное положение ЦВ и ЦТ требуется иное.
Такое размещение нагрузки, при котором достигается необходимое для данных условий положение центра тяжести, называется центровкой, или удифферентованием, мотосудна.