КАВЕРНЫ – КАК СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ СУДНА

CAVERNS – AS A WAY TO REDUCE THE DRAG OF THE VESSEL

Dmitry Kul’kov

student, Department of Shipbuilding Technology, Saint Petersburg State Marine Technical University,

Russia, Saint Petersburg

Anastasia Sсherbatykh

student, Department of Shipbuilding Technology, Saint Petersburg State Marine Technical University,

Russia, Saint Petersburg

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается краткая характеристика каверн, как способ уменьшения сопротивления движения судна для перспективных проектов судов.

ABSTRACT

The article considers a brief description of the caverns as a way to reduce the drag of the vessel for promising vessel projects.

Ключевые слова: искусственная каверна; днищевой рецесс; уменьшение сопротивления.

Keywords: artificial cavern; bottom recession; reduction of resistance.

Для корабля вода – это родная стихия его обитания, но в ней он испытывает сопротивление по отношение к ней. Чтобы судно стало быстрее и ловчее, нужно по-другому посмотреть на взаимоотношение корабля с его родной стихией и попытаться как бы “приподнять” судно над поверхностью воды, создав воздушную прослойку между корпусом судна и водой.

Технологии, несомненно, движутся вперед, и повсеместное их использование дает ощутимый прирост КПД на судне. В XIX веке была разработана технология снижения водного сопротивления судов за счет создания воздушных прослоек под корпусом. Поскольку плотность воздуха примерно в 800 раз ниже плотности воды, формирование воздушных каверн (полостей) на погруженной части судна минимизирует контакт поверхности с водой. Это приводит к уменьшению силы трения в зоне образования каверн, что визуализировано (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема работы каверны

Таким образом, эффективность метода напрямую зависит от двух факторов: площади корпуса, изолированной воздушной прослойкой и доли сопротивления трения в общей силе буксировочного сопротивления. Чем выше эти показатели, тем значительнее снижение энергозатрат при движении судна.

Преимуществами являются: общее сопротивление движению уменьшается на 17-30% за счет затрат энергии на создание каверн в 2-3%; суда на воздушной каверне имеют хорошую проходимость по мелководью; возможность высадки (посадки) пассажиров на необорудованных причальных средствах берегу; возможность для судов-ледоколов освобождаться из ледовых ловушек.

Первые работы по созданию прототипов каверн начались в конце 1950–х годов в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» под руководством инженера А. Н. Иванова. На основе гипотезы о схожести свойств тонких газовых слоёв и искусственных каверн, Иванов предложил использовать методы теории развитой кавитации для расчёта формы и размеров воздушных прослоек [1].

 Этот подход позволил исследовать зависимость параметров каверн от геометрии смоченной поверхности днища и скорости судна. Эксперименты выявили ряд закономерностей, которые стали основой для дальнейшего изучения искусственной кавитации как инструмента снижения гидродинамического сопротивления.

Интересно, что на малых глиссирующих катерах (водоизмещением до 40 т) для формирования каверн можно адаптировать выхлопные газы основных дизельных двигателей. Технология предлагает два варианта применения: снижение мощности силовой установки без потери скорости — актуально для водоизмещающих судов; увеличение максимальной скорости при неизменной мощности — оптимально для глиссирующих моделей.

За счет применения каверны скорость катера может возрасти примерно на 10%. В этом случае можно: повысить конкурентоспособность судна; увеличить дальность плавания, ограниченную временными рамками [2].

Одной из последних разработок Крыловского центра является автоматизированная система создания каверн на днище транспортного судна. (рисунок 2)

Рисунок 2. Принципиальная схема работы

1 – источник сжатого воздуха; 2 – трубопроводы; 3 – ограничительные бортовые кили; 4 – промежуточные продольные кили; 5 – редан; 6 – поперечные козырьки; 7 – каверна с волновым профилем; 8 – кормовой свод.

Воздух от компрессора (воздуходувки) 1 по системе трубопроводов 2 подается в рецесс (углубление) в плоской части днища. Для речных судов воздух может подаваться только к редану 5, для судов смешанного плавания (ССП) и морских судов, испытывающих качку, воздух подается к редану 5 и к поперечным козырькам 6.

Внутри рецесса устанавливаются промежуточные продольные кили 4, разделяющие рецесс на отдельные, изолированные друг от друга секции, и поперечные козырьки 6. Назначение продольных килей – повышение остойчивости судна. Главное назначение поперечных козырьков – сохранение энергосберегающего эффекта при движении судна на волнении, при котором единая каверна распадается на систему отдельных каверн, образованных за реданом и козырьками.

По бортам рецесс ограждается ограничительными бортовыми килями 3. Нижние кромки бортовых и продольных килей незначительно выступают за основную плоскость днища. В кормовой части днище рецесса с помощью кормового свода 8 вновь переходит в основную плоскость днища. На стоянке при посадке судна «на ровный киль» поверхность каверны совпадает с основной плоскостью днища.

При движении судна внутри каждой продольной секции рецесса образуются единые каверны с волновым профилем 7, покрывающие практически всю площадь рецесса. Осадка судна при этом изменяется незначительно [3].

Создание внутри рецесса в днище судна единой воздушной каверны, изолирующей большую часть днища от контакта с водой, обеспечивает снижение гидродинамического сопротивления и повышение пропульсивных качеств судна. (рисунок 3)

Рисунок 3. Вид на днище-глиссирующего катера на искусственной каверне

1 – килеватое днище перед реданом, 2 – отверстие подачи воздуха в нишу за реданом, 3 – стреловидный редан, 4 – днище ниши, 5 – скеги.

Еще одной инновацией стала разработка защитного механизма, препятствующего проникновению воздуха из каверны к гребному винту, что существенно снижает его износ. Кроме того, технология воздушных каверн может использоваться судами ледового класса для самостоятельного высвобождения из ледового плена, что повышает их эксплуатационную автономность.

Многие аспекты данной технологии остаются уникальными и не воспроизведены зарубежными научными центрами. Важно подчеркнуть, что оптимизация формы корпуса для интеграции каверн, несмотря на техническую сложность, лишь незначительно увеличивает стоимость судна. При серийном производстве эти затраты сокращаются ещё больше. Для внедрения каверн на верфях не требуется разработка новых производственных методик или закупка специализированного оборудования, что упрощает масштабирование технологии.

Использование искусственных каверн позволяет достичь двух целей: снижение энергопотребления при сохранении скорости и увеличение максимальной скорости без модернизации двигателей. Первый вариант актуален для водоизмещающих и частично для судов переходного режима, так как повышает их экономическую эффективность. Это открывает дополнительные преимущества: установка менее мощных двигателей (дизельных или турбинных), уменьшение габаритов движителей, сокращение объёмов топливных резервов.

Совокупность этих факторов снижает как первоначальную стоимость судна, так и эксплуатационные расходы. Уменьшение массы силовых установок и топливных запасов приводит к снижению водоизмещения, что, в свою очередь, дополнительно уменьшает сопротивление движению (эффект синергии).

Рисунок 4. Буксировочная мощность и эффективность каверны на днище на базе катера 25т и мощностью двигателя 1000 л.с.

Согласно данным рисунка 4 (испытания на катере водоизмещением 25 т с двигателем 1000 л.с.), применение каверн на днище демонстрирует значительное сокращение буксировочной мощности. Увеличение скорости на 3–10 узлов, достигаемое за счет каверн, особенно эффективно для глиссирующих судов и судов переходного режима. Это не только повышает их конкурентоспособность на рынке, но и расширяет дальность плавания, которая часто ограничена временными факторами [4].

Выводы: Многолетние экспериментальные исследования и проектные проработки, выполненные ФГУП «Крыловский государственный научный центр», позволяют уверенно рекомендовать судоходным компаниям энергосберегающее устройство для создания на днище водоизмещающих судов единых воздушных каверн. Использование этой концепции обеспечивает:

• Значительный прирост КПД в топливосберегающей и экологической сфере;
• Уровень безопасности плавания находится на должном уровне за счет снижения амплитуды бортовой качки, а также повышенной высоты надводного борта и большей защищенности днища рецесса;

Каверны могут быть использованы как на вновь строящихся, так и на существующих судах в виде их модернизации.

Список литературы:

1. Пат. 1145587 Советский Союз, МПК B60V 1/04, B63B 1/38. Судно с воздушной прослойкой под днищем/Бутузов А.А., Горбачев Ю.Н., Иванов А.Н., Эллер А.О.; № 3664908/11; заявл. 1983.09.29; опубл. 1994.04.30, Бюл. – 6 с.
2. Электронный ресурс. «Популярная механика». Форма доступа: http://www.popmech.ru/technologies/394632-kaverny-pustoty-v-dne-sudna-ili-kak-eto-rabotaet/#part0
3. Пат. 2530905 Российская Федерация, МПК B63B 1/38. Судно с воздушной каверной на днище/ Пустошный А.В., Сверчков А.В., Горбачев Ю.Н.; заявитель и патентообладатель Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации. № 2013119868/11; заявл. 2013.04.29; опубл. 2014.10.20, Бюл. – 9 с.
4. Электронный ресурс. «Barque.ru». Форма доступа: http://www.barque.ru/shipbuilding/2002/vessel_on_cavern_or_an_air_cushioned_catamaran