НИЖЕГОРОДСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ Р.Е. АЛЕКСЕЕВА
Реферат
по дисциплинеКлассификация и особенности устройства судов и кораблей
на тему«Скеговые суда на воздушной подушке»
НижнийНовгород 2010 г
Скеговые суда навоздушной подушке
Суда на воздушной подушке(СВП или hovercraft) – это транспортные средства, двигающиеся за счет тягисоздаваемой воздушными винтами и оснащенные системой создания областиповышенного давления под корпусом (воздушной подушки) для осуществления подъеманад поверхностью.
Судно на воздушнойподушке является амфибийным аппаратом способным передвигаться по любойотносительно ровной поверхностью — воде (в том числе по мелководью), льду,песку, траве, болоту и т.д.
Подача воздуха ввоздушную подушку может осуществляться посредством отбора потока от основныхмаршевых винтов (совмещенный тип) или с помощью дополнительных «нагнетательных»вентиляторов (раздельный тип нагнетающей установки).
Движение судна навоздушной подушке
Полетом движение катерана воздушной подушке назвать сложно, по той причине, что в идеальных условиях(т.е. на абсолютно ровной плите) СВП отрывается от поверхности всего нанесколько сантиметров. На практике же судно на воздушной подушке постояннонаходится в контакте с поверхностью движения. Поэтому наибольшие скоростныехарактеристики достигаются на поверхностях с низким коэффициентом трения,например лед. Движение по воде осложняется тем, что под катером образуетсякаверна (пропорциональная весу катера), негативное влияние которой тем меньшечем выше скорость.
Ходовые свойства катера зависятот множества факторов и прежде всего от конструкции ГО, объема подаваемого вподушку воздуха и отношения веса катера к площади подушки. Чем меньше весаприходится на квадратный метр площади воздушной подушки, тем проще добитьсяхороших ходовых свойств, тем меньше нагрузки испытывает материал ГО, аследовательно продлевается срок его службы.
Управление катеромосуществляется за счет воздушных рулей, установленных за маршевым винтом.Помимо вертикальных рулей, отвечающих за маневрирование, существуютгоризонтальные рули, задача которых управление дифферентом катера.
Это бывает полезно, когдакатер не равномерно загружен или требуется поднять корму/нос для выполненияманевра.
Скеговый тип судна (спродольными баллонами-лыжами, применяется на СВП Хивус, Марс) – не терпитнеровностей на жесткой поверхности (неровную поверхность лучше проходить наскорости), не достаточная мягкость/комфорт движения, из-за наличия относительножестких продольных баллонов. В случае разрыва в пути — сложный ремонт. Кпреимуществам можно отнести хорошую курсовую устойчивость. Этот тип можнорекомендовать для эксплуатации исключительно на акватории без выездов напересеченную местность.
Суждено ли развитию судовна воздушной подушке зайти в тупик или, наоборот, оно открывает путь к судамбудущего? С тех пор как англичанин Кокерилль в 1959 г. представилобщественности первое действующее судно на воздушной подушке и пересек на немЛа-Манш, основной движущей силой развития судов этого класса было стремлениедостичь как можно большей скорости. Это стремление продолжает быть доминирующими в наши дни, несмотря на другие замечательные качества, продемонстрированныесудами этого класса. Суда на воздушной подушке являются одним из путей решенияпроблемы скорости на воде. Несколько слов о принципах их работы. В воздушной подушкепод днищем судна создается небольшое избыточное давление, превышающееатмосферное всего на 0,03—0,05 кгс/см2. Благодаря этому судно отрывается отповерхности, причем не имеет значения, что находится под судном — вода илиземля, только в воде под судном на воздушной подушке образуется впадина,глубина которой составляет 10 см на каждые 0,01 кгс/см2 избыточного давлениявоздуха в подушке.
Действие воздушнойподушки тем больше, чем ближе судно к опорной поверхности. С увеличением высотыпарения возрастает утечка больших масс воздуха из подушки, и мощность,необходимая для поддержания судна в режиме парения, растет. Минимальная высотапарения судов обусловлена необходимостью преодоления морских волн. При длинныхволнах и малых размерах судов на воздушной подушке это не составляет особойпроблемы, так как в этом случае суда могут следовать за контуром волны.Значительно большая высота парения требуется на коротких волнах или нанерегулярном волнении: вершины волн не должны ударять о днище судна на воздушнойподушке. Решение этой проблемы должно послужить основой широкогораспространения судов на воздушной подушке в морском торговом флоте будущего.
Чтобы удерживать суднобез движения над поверхностью воды, необходимо наличие воздушной подушки междуднищем судна и поверхностью воды. Создание и сохранение воздушной подушкизаслуживает особого внимания. Чтобы расход воздуха из подушки был как можноменьше, необходимо предельно сократить ее периметр при сохранении максимальновозможной площади в плане. Это можно сделать, если придать днищу судна навоздушной подушке форму, максимально приближающуюся к форме круга или покрайней мере квадрата.
Дальнейшая возможностьуменьшения относительных потерь воздуха из подушки заключается в увеличенииразмеров судна в плане. Площадь подушки, а стало быть, и ее грузоподъемность,растет пропорционально увеличению линейных размеров судна во второй степени, апериметр, т. е. потери воздуха из подушки, — пропорционально увеличению егоразмеров в первой степени. Благодаря этому с увеличением размеров судна можнолибо уменьшить расход воздуха, отнесенный к одной тонне массы судна, либоувеличить высоту воздушной подушки. Совершенно ясно, что при одинаковой высотевоздушной подушки более крупные суда будут экономичнее.
У малых судов на воздушнойподушке удельная мощность привода главного вентилятора составляет от 45 до 65кВт на 1 т общей массы судна. Для больших судов, массой около 100 т, требуетсяуже только 25—35 кВт на 1 т массы, а для судов массой 200 т и больше удельнаямощность главных вентиляторов уменьшается до 15—20 кВт. Разумеется, при оценкеэтих цифр следует помнить, что для поддержания обычного водоизмещающего суднане требуется ни одного киловатта! Экономическая эффективность ужеэксплуатируемых сравнительно малых судов на воздушной подушке не может идти нив какое сравнение с эффективностью судов других типов, особенно если речь идето перспективных судах.
Все исследовательскиеработы направлены прежде всего на уменьшение мощности, требуемой дляподдержания воздушной подушки. Если бы удалось полностью устранить истечение изнее воздуха, то воздушную подушку нужно было бы создать всего один раз, идальнейшей подачи воздуха не потребовалось бы. Это стало бы возможным, если кднищу судна по всему периметру прикрепить жесткое ограждение — своего родаколокол, уходящий стенками глубоко в воду. Но в этом случае были бы потерянывсе положительные эффекты, направленные на получение высоких скоростей.Истечение воздуха из подушки можно замедлить созданием по всему периметру днищавоздушных или водяных завес, применением лабиринтных уплотнений, а такжеустановкой гибких ограждений по всему периметру или жестких ограждений подушки— скегов — по бортам судна. Очень хорошо зарекомендовали себя эластичные юбкииз искусственных материалов, простирающиеся до самой поверхности воды (земли)и, тем не менее, свободно пропускающие морские волны или неровности почвы, безпередачи ударов на корпус судна. Это обеспечивает безопасность движения судна.С установкой скегов — утопленных ниже поверхности воды тонких жестких бортовыхстенок — эффективность воздушной подушки возрастает, но амфибийные качествасудна утрачиваются, вследствие чего его вновь с полным правом можно назватьсудном.
/>
Схемы образованиявоздушной подушки
1 — с центральным соплом;2 — камерная схема с юбкой (гибким ограждением); 3 — камерная схема с жесткимибортовыми ограждениями (скегами); 4 — схема без юбки с кольцевым соплом попериметру подушки; 5 — схема с лабиринтным уплотнением; 6 — схема с юбкой икольцевым соплом по периметру подушки
Суда на воздушной подушке
/>
1 — амфибийное судно своздушным винтом; 2 — полуамфибийное судно с водяным гребным винтом; 3 — суднос бортовыми ограждениями воздушной подушки (со скегами) и с Z-образным приводомна водяной гребной винт.
Два последних изуказанных способов ограничения истечения воздуха являются характернымипризнаками двух типов судов: амфибийных судов на воздушной подушке сэластичными юбками и скеговых судов на воздушной подушке с заглубленными в водубортовыми жесткими стенками. Перечисленные типы судов различаются какдвижителями, так и средствами управления. На амфибийных судах устанавливаютвоздушные винты или реактивные движители. Управление амфибийным судномосуществляется с помощью больших рулей, размещаемых в отбрасываемых движителямивоздушных струях, либо изменением направления упора воздушных винтов илиреактивных сопл путем их поворота. Для таких судов вода играет роль толькоопорной поверхности. Скорости некоторых амфибийных судов достигают 140 км/ч идаже больше. На скеговых судах на воздушной подушке устанавливают водяныегребные винты и рули обычного типа. Винты и рули в воде имеют более высокийкоэффициент полезного действия, чем в воздухе. Благодаря этому энергетическаяустановка скегового судна используется более эффективно. Маневренность такогосудна выше, чем у амфибийного. Однако опущенные в воду скеги увеличиваютсопротивление судов, что приводит к потерям скорости. Стремление сохранитьпреимущества, присущие обоим типам судов, привело к созданию полуамфибийногосудна на воздушной подушке. У этого судна, днище которого по всему периметруокаймлено эластичной юбкой, гребные винты и рули работают в воде.
Опыт эксплуатации судовна воздушной подушке с 1959 г. до наших дней показал преимущество судов сгибким ограждением. За эти годы было построено большое число разнообразныхсудов на воздушной подушке, главным образом в Англии, но также в Японии, США,во Франции и в СССР. Сотни таких судов уже перевозят миллионы пассажиров нарегулярных линиях в Ла-Манше, Ирландском море, на средиземноморском побережьеФранции и Италии, в Канаде, США и странах Карибского моря, а также в Японии иАвстралии. Большинство судов на воздушной подушке имеет вместимость до 100пассажиров, но с 1968 г. началась эксплуатация судов типа 5К4, вмещающих 254пассажира и 30 легковых автомашин. Эти суда пересекают Ла-Манш за 40 минут. В1976 г. через Ла-Манш судами на воздушной подушке (главным образом судами типа5К4) было перевезено около 2 млн. пассажиров, что составляет 25% общегоколичества перевезенных людей. Доля судов на воздушной подушке в пассажирскихперевозках к 1978 г. возросла почти до 50%. Этому в немалой степениспособствовал ввод в строй с середины 1977 г. 400-местных французских судов навоздушной подушке типа «Навиплан 500». Это судно, на палубе которого можноодновременно перевозить 45 легковых автомашин, в настоящее время являетсянаибольшим судном на воздушной подушке во всем мире. Общая масса судов типа«Навиплан 500» составляет 260 т, скорость на тихой воде — 75 уз; мощностьэнергетической установки достигает почти 12 тыс. кВт.
/>
Общий вид (при снятойнаружной обшивке) судна на воздушной подушке типа 5К4. В правом нижнем углу —вид на судно снизу в уменьшенном масштабе
Тенденция к увеличениюразмеров судов на воздушной подушке все время растет. Так, судно типа 5К4 былоудлинено на 17 м, благодаря чему его пассажировместимость возросла до 416 мест.
В дальнейшем можнопредположить создание больших судов на воздушной подушке массой в тысячи тонн.Однако предварительно необходимо решить совсем другие проблемы. Одной из такихпроблем является уменьшение шума, которое требуется не только для повышениякомфортности судов, но и для охраны окружающей среды. В этом смысле заслуживаютвнимания скеговые суда на воздушной подушке. На этих судах нет главногоисточника шума — воздушных винтов, неизбежных на судах амфибийного типа.Жесткие бортовые стенки — скеги — погружены в воду именно настолько, чтооказывается возможно применение водяных гребных винтов. Это приводит к снижениюуровня шума и одновременно уменьшает расход энергии на воздушную подушку. На16-тонном британском скеговом судне НМ-2 удельная мощность главного вентиляторасоставляет всего 8,3 кВт/т, это меньше одной пятой удельной мощностиамфибийного судна. Еще лучших результатов добились на советских скеговых судахна воздушной подушке типа «Орион» и «Горьковчанин», где удельная мощностьглавных вентиляторов меньше 2 кВт/т. Правда, это речные суда, которые нельзянепосредственно сравнивать с морскими судами, где высота подушки должна бытьгораздо больше. Тем не менее, можно прийти к выводу, что применение скегов даетзначительное снижение расхода энергии на парение на воздушной подушке. Однакоскорости, достигнутые скеговыми судами на воздушной подушке, на 20—30 узменьше, чем скорости амфибийных судов.
/>
Боковой вид и поперечноесечение трансокеанского судна на воздушной подушке со скегами (проект)
/>
Полная масса 5000 т;грузоподъемность 1800 т; эксплуатационная скорость 100 уз
Хотя удельнаяэнерговооруженность и уменьшается с ростом размеров судов на воздушной подушке,однако даже у 10000-тонного судна она едва ли будет меньше 25 кВт/т. Наряду сбольшими трудностями, связанными с созданием главных двигателей столь огромноймощности и движителей для них, возникает почти неразрешимая проблема запасовтоплива. Если на 10000-тонном судне на воздушной подушке с мощностьюэнергетической установки около 250000 кВт установить газовые турбины, то массатоплива для 20-часового рейса составит от 1/3 до 1/4 его полной массы. Другимисловами, полезная грузоподъемность судна будет почти полностью исчерпана.
/>
На рисунке справа приводглавного вентилятора и воздушного винта от одной газовой турбины на амфибийномсудне на воздушной подушке: 1 — газовая турбина; 2 — компрессор газовойтурбины; 3 — камера сгорания; 4 — главный вентилятор; 5 — воздухоприемникиглавного вентилятора; 6 — юбка (гибкое ограждение воздушной подушки); 7 —воздушная подушка; 8 — толкающий воздушный винт регулируемого шага; 9 — рулевойвалик с червячным приводом для изменения направления упора (для поворота судна)
До сего времени наамфибийных судах на воздушной подушке устанавливались преимущественно воздушныевинты. Наиболее целесообразно осуществлять привод и воздушного винта, иглавного вентилятора, подающего воздух в подушку, через распределительныйредуктор от одной газовой турбины. Поскольку мощность, подводимая к винту и главномувентилятору, скорость судна и высота его воздушной подушки находятся в обратнойвзаимосвязи, в тихую погоду высота подушки может быть уменьшена, и судно будетдвигаться быстрее. При волнении, наоборот, для безопасности движения можноувеличить высоту воздушной подушки за счет снижения скорости.
Будущие океанские суда навоздушной подушке должны быть в состоянии преодолевать волны высотой до 10 м.Связанные с этим временные потери скорости не будут существенно отражаться наэкономической эффективности судов, так как повторяемость во времени волнбольшой высоты весьма мала и район распространения такого волнения, какправило, ограничен. При этом следует также учесть возможность оптимизации курсасудов исходя из метеорологических условий. С дальнейшим увеличением размеровсудов на воздушной подушке встает вопрос о переходе не только к новым первичнымисточникам энергии (например, к атомным), но и к новым типам движителей.
Для таких судов уженепригодны будут воздушные винты, не столько из-за повышенной шумности, сколькоиз-за ограниченной мощности, которую они способны переработать: в настоящеевремя к одному воздушному винту можно подвести максимум 12 тыс. кВт; в будущемэта цифра, возможно, удвоится. Таким образом, на 5000-тонном судне на воздушнойподушке необходимо поставить от 15 до 20 воздушных винтов. Но, посколькудиаметр каждого винта будет составлять 8—12 м, для установки такого количествавинтов на судне просто не хватит места.
Предел мощности, которуюможно передать на один гребной винт, не подвергая его разрушающему действиюкавитации, по-видимому, может быть доведен до 65 тыс. кВт. При переходе кводяным винтам уменьшается расход материалов, повышается коэффициент полезногодействия и решается проблема борьбы с шумом. Однако при этом теряются амфибийныекачества судна. Но, поскольку это неизбежно, то нет препятствий для перехода кскеговому типу судна, где благодаря эффективному ограничению истечения воздухаиз подушки требуется меньшая мощность на ее создание. 5000-тонное скеговоесудно на воздушной подушке уже может выдержать экономическое соревнование сводоизмещающими судами и транспортными самолетами. Оно могло бы перевозитьчерез океан 1800 т груза или двести 20-футовых контейнеров. При максимальнойскорости 100 уз на круговой рейс такому судну потребуется втрое меньше времени,чем быстроходному водоизмещающему контейнеровозу. Преимущества судна навоздушной подушке не исчерпываются более быстрой доставкой груза. Благодаряболее частым рейсам уменьшаются объемы складируемых партий груза, а такжесоздаются другие удобства для клиентуры.
Говоря о перспективахразвития судов на воздушной подушке, нельзя оставить без внимания следующиесоображения. С одной стороны, можно построить очень большое, но тихоходноесудно; с другой стороны, развиваются скоростные транспортные средства —самолеты, имеющие очень малую грузоподъемность. Однако в настоящее время неимеется такого транспортного средства, которое могло бы продолжить перевозкувсего груза, доставленного к берегу моря одним железнодорожным составом, с тойже или более высокой скоростью через океан. Речь идет примерно о 2000 т груза искорости порядка 200—250 км/ч. Здесь в спектре разнообразных транспортныхсредств имеется пробел, который в свете наших сегодняшних знаний способнызаполнить только большие суда на воздушной подушке.
На этих соображениях, вчастности, основаны такие привлекательные, но граничащие с утопией идеи, какпроект 15000-тонного судна на воздушной подушке. Такое судно могло бы в течениесуток перевезти на трансатлантической межконтинентальной паромной переправе2000 легковых автомобилей вместе с пассажирами. Скорость этого судна будетсоставлять 130 уз (около 240 км/ч).
Пассажиры смогутпроводить время в салонах, ресторанах, кинозалах или на застекленныхпрогулочных палубах.
Пассажирских кают насудне не предусмотрено. Отказ от особого комфорта вызван стремлением, сохранивдоступную плату за проезд, позволить пассажирам взять с собой в заокеанскуюпоездку собственный автомобиль и тем самым способствовать полной загрузке судна.Использование такого судна не ограничилось бы целями туризма, судно могло быперевозить также трейлеры или контейнеры. В качестве главного двигателя натаком судне может быть применена только атомная энергетическая установка, таккак требуемая мощность достигает 550 тыс. кВт. В случае применения установкиобычного типа для 20-часового рейса потребовалось бы около 3500 т запасовтоплива, не говоря уже о громадном объеме топливных цистерн и затратах временина бункеровку. Все это весьма неблагоприятно отразилось бы на эксплуатациитакого судна.
/>
Предполагаемый общий видперспективного судна на воздушной подушке для перевозки 2000 легковыхавтомобилей.
Эксплуатационная скорость130 уз будет обеспечиваться энергетической установкой мощностью 550 тыс. кВт
Если подумать о том,какой объем исследовательских работ потребуется для создания подобнойтранспортной системы, станет очевидным, что такие большие суда на воздушнойподушке в ближайшем будущем едва ли будут созданы. Как уже говорилось, всеразвитие судов на воздушной подушке было направлено на достижение как можнобольших скоростей движения на воде.
Между тем обнаружилось,что возможности судов на воздушной подушке в водном транспорте отнюдь неисчерпываются этим. Появилось новое амфибийное транспортное средство — грузоваяплатформа на воздушной подушке. Энергетическая установка такой платформыпредназначена преимущественно (или исключительно) для создания воздушнойподушки под днищем платформы. Поступательное перемещение осуществляется на водес помощью буксирных судов, а на суше — с помощью тракторов. Разумеется,платформы могут иметь и собственные движители. Однако здесь речь идет не одостижении высоких скоростей. Целевым назначением таких платформ является приемгруза с морских судов и последующая его доставка на берег к находящемусяпоблизости получателю. Такая система представляет особый интерес длятранспортировки тяжеловесных грузов. В связи с этим в качестве примера можетбыть названа построенная в 1974 г. для арабского эмирата Абу Даби 750-тоннаяплатформа на воздушной подушке. С помощью этой платформы с морских судов наберег, где не было никаких разгрузочных средств, переправлялось оборудованиедля сжижения природного газа. После погрузки на рейде платформа буксировалась кберегу со скоростью 3—7 уз (в зависимости от волнения). Затем ее вытаскивали наберег тракторами. За каждый рейс платформа брала по 250 т груза. Удельнаямощность привода ее главных вентиляторов составляет всего 1,75 кВтД.
/>
Большая платформа навоздушной подушке, используемая при рейдовой разгрузке судов
Несамоходная платформа навоздушной подушке по воде буксируется судами-буксирами, а на суше — тракторамиили автотягачами.
Для решения специальныхтранспортных задач, подобных только что описанной, в будущем можно ожидатьсоздания платформ на воздушной подушке еще больших размеров. В США, например,уже имеется проект 6000-тонной платформы на воздушной подушке, предназначеннойдля прокладки трубопроводов в Арктике. Там, где требуется перемещение груза своды на пологий берег, особенно в недостаточно обжитых местах, платформа навоздушной подушке является весьма перспективным транспортным средством.
Список литературы
1. Справочник по проектированию судов сдинамическими принципами поддержания. (Колызаев Б.А. Косоруков А.И. ЛитвиненкоВ.А.)
2. Обоснование методики оптимизационногопроектирования скоростных пассажирских катамаранов (Николаев, ВладимирАлександрович)
3. Справочник по строительной механикекорабля (под ред. Ю.А. Шиманского)
4. Журнал «Катера и Яхты», 1974, № 2(048)( 1974г.)