Вітрильне судно з крилами перемінного перерізу

Изобретение относится к области судостроения и предназначено для уменьшения крена и дрейфа при использовании парусных судов. Известно парусное судно на подводных крыльях, содержащего корпусе балластом и парусным снаряжением и прикрепленные к корпусу подводные крылья с механизмом привода крыльев [6]. Известная конструкция позволяет частично устранить указанные выше недостатки, однако, кроме частично устраненных указанных недостатков, ей присущи также громоздкость и сравнительно слабая управляемость. Задача, поставленная в данном изобретении, заключается в создании такой конструкции парусного судна, которая обеспечивает исключение крена и дрейфа при любой ветровой нагрузке посредством существенного увеличения момента устойчивости судна как за счет увеличения воздействующи х на судно противокреновых и противодрейфовых сил, так и за счет увеличения длины плеча, на котором действует каждая из указанных сил относительно центра тяжести судна. Поставленная задача решается тем, что в парусном судне, содержащем корпус с балластом и парусным снаряжением и прикрепленные к корпусу поднимаемые крылья с механизмом их привода, согласно изобретению, крылья шарнирно прикреплены к верхней (надводной) части борта выше ватерлинии с возможностью их поворота вокруг продольной оси шарнира так, что местом прикрепления к борту крыло разделено по длине на верхнюю и нижнюю части, при этом указанная верхняя часть крыла шарнирно связана с приводным механизмом, установленным в надводной части корпуса, а указанная нижняя часть крыла выполнена с. изменяющимся по длине крыла профилем поперечного сечения. При этом крылья могут быть выполнены прилегающими к бортам корпуса и изготовлены по форме, которая повторяет форму борта корпуса судна в поперечном сечении. Прилегающее крыло может быть шарнирно связано с корпусом таким образом, что продольная ось шарнира составляет с проекцией ватерлинии на вертикальную плоскость, проходящую через ось шарнира, угол a. Величина угла a, раскрытого своими сторонами в направлении к носу судна и отсчи тываемого от ватерлинии до оси шарнира, лежит в пределах a= 0,5-27°. Так что крыло обеспечивает положительную подъемную силу. Кроме того, величина угла a может составлять a=90°, а прилегающие крылья могут быть выполнены с возможностью из складывания под днищем корпуса, при этом нижняя часть крыла на конце, удаленном от места крепления крыла к корпусу, выполнена с несимметричным профилем поперечного сечения с выпуклостью, направленной от борта корпуса, а на конце, размещенном вблизи места крепления крыла к корпусу, - с выпуклостью, направленной в сторону к борту корпуса. Величина угла может составлять a£15°, а прилегающие крылья при этом могут быть выполнены с возможностью их складывания над палубой. При этом нижняя часть крыла на конце, размещенном вблизи места соединения крыла и корпуса, выполнена с симметричным профилем поперечного сечения, а на конце, удаленном от этого места, с несимметричным профилем поперечного сечения с выпуклостью, направленной наружу от борта корпуса. Нижняя часть крыла на конце, удаленном от места крепления крыла к корпусу, может быть выполнена с несимметричным профилем поперечного сечения с выпуклостью, направленной наружу от корпуса, а на конце, размещенном вблизи места крепления крыла к корпусу, - к выпуклостью, направленной в сторону корпуса, так что силы, возникающие при обтекании этих частей крыла водной средой, направлены в противоположные стороны. Заявленное парусное судно может быть дополнительно снабжено по меньшей мере двумя установленными на нижнем конце каждого из крыльев гидродинамическими шайбами, между которыми шарнирно укреплено малое крыло с симметричным профилем поперечного сечения с возможностью его поворота вокруг продольной оси шарнира. При этом в месте установки малого крыла продольная ось шарнира и образующая рабочей поверхности малого крыла могут быть выполнены параллельными образующей рабочей поверхности прилегающего крыла. На конце прилегающего крыла может быть дополнительно установлено шарнирно связанное с ним вспомогательное крыло с возможностью его отклонения от диаметральной плоскости судна. Вспомогательное крыло может быть установлено нормально к образующей рабочей поверхности прилегающего крыла и, кроме того, оно может быть установлено под углом к вертикали. Благодаря такой конструкции заявленное парусное судно не будет подвержено дрейфу даже при самом незначительном крене. Это обеспечивается тем, что при возникновении крена и связанного с ним дрейфа вследствие ветровой нагрузки на судно на крыльях возникают силы F1-F 6, препятствующие и крену, и дрейфу. Величина противокреновой и противодрейфовой сил тем больше, чем больше крен судна, а эффективность воздействия этих сил на судно сравнительно высока потому, что весьма велики моменты этих сил относительно центра тяжести судна, в том числе из-за того, что плечо действия каждой из этих сил значительно возрастает по сравнению с известными конструкциями. Изобретение поясняется чертежами, на которых схематически изображены: фиг. 1 - парусное судно с левым крылом в рабочем положении и правым, прилегающим к борту в нерабочем положении, вид сзади, поперечный разрез; фиг. 2 - парусное судно, получившее крен, с обоими крыльями в рабочем положении, вид сзади, поперечный разрез; фиг. 3 - парусное судно с прилегающим и малым крыльями, вид сбоку; фиг. 4 прилегающее крыло с прикрепленными к нему малым крылом, указанным на фиг. 3, поперечное сечение А-А, увеличено; фиг. 5 - парусное судно с прилегающими крыльями, прикрепленными к корпусу посредством вертикальных шарниров, вид сверху, частичный вырыв; фиг. 6 - парусное судно, изображенное на фиг. 5, со сложенными под днищем корпуса в нерабочем положении прилегающими крыльями, вид сзади, поперечное сечение Б-Б, увеличено; фиг. 7 - то же, что и на фиг. 6, крылья в рабочем положении; фиг. 8 - парусное судно с прилегающими и прикрепленными к нему вспомогательными крыльями в рабочем и нерабочем положении, вид сзади, поперечный разрез, частичный вырыв; фиг. 9 и 10 - поперечные сечения В-В и Г-Г прилегающего крыла, показанного на фиг. 1 и 2; фиг. 11 и 12 - поперечные сечения Д-Д и Е-Е прилегающего крыла, показанного на фиг. 7; фиг. 13 и 14 - поперечные сечения Ж-Ж и 3-3 крыла, показанного на фиг. 8. Парусное судно содержит корпус 1 с мачтой 2 и парусным вооружением, балласт 3, прикрепленные к корпусу крылья 4 и механизм 5 привода крыльев. Крылья 4 прикреплены к верхней части борта (выше ватерлинии 6) посредством шарниров 7. Место прикрепления крыла к корпусу делит крыло 4 на две части: верхнюю часть 41 - от шарнира 7 до шарнира 8, посредством которого верхняя часть крыла (и крыло в целом) шарнирно связано с механизмом 5 привода крыльев, и нижнюю часть 42 - от шарнира 7 до свободного конца крыла. В качестве механизма привода крыльев в варианте выполнения изобретения, приведенного на фиг. 1 и 2, использованы гидроцилиндры, установленные в надводной части судна, а именно на палубе 8. Нижняя часть 42 крыла 4 выполнена с изменяющимся по длине крыла профилем поперечного сечения (фиг. 9-10). Крылья 4 по своей длине выполнены прилегающими в нерабочем положении к бортам корпуса 1 и имеют форму, повторяющую форму борта корпуса 1 судна в поперечном сечении (фиг. 1). Нижняя часть 42 крыла 4 на конце, удаленном от места крепления крыла к корпусу шарниром 7, выполнена несимметричного профиля поперечного сечения (фиг. 10) с выпуклостью 10, направленной наружу от корпуса 1. А нижняя часть 42 крыла 4 на конце, размещенном вблизи места крепления крыла к корпусу посредством шарнира 7, выполнена несимметричного поперечного сечения (фиг. 9) с выпуклостью 11, направленной в сторону корпуса 1. Силы F1 и F2, возникающие при обтекании этих участков нижней части 42 крыла 4 водной средой, направлены в противоположные по отношению к корпусу стороны. Однако ввиду кривизны нижней части 42 крыла 4 по его длине действительные направления действия этих сил не совпадают - и их равнодействующие на каждом из указанных участков крыла 4 таковы, как это показано на диаграммах сил на фиг. 1 и 2. Поэтому первый из указанных участков нижней части 42 крыла 4 выполняет роль шверта, а второй, свободный, - роль противокренового крыла. На нижнем, свободном, конце крыла 4 установлены две гидродинамические шайбы 12, выполняющие две функции: 1) они исключают перетекание воды из зоны 13 повышенного давления в зону 14 разрежения (фиг. 4); 2) между шайбами 12 на шарнире 15 укреплено малое крыло 16 с возможностью его поворота вокруг продольной оси шарнира 15 (фиг. 3, 4), которое под действием набегающего потока 17 воды отклоняется из одного крайнего положения в другое, ограниченное упорами 18, 19. Продольная ось шарнира 15 и образующая рабочей (обтекаемой) поверхности малого крыла 16 выполнены параллельными образующей рабочей (обтекаемой) поверхности прилегающего крыла 4 в том месте, где установлено малое крыло. Поэтому малое крыло 16 плавно отклоняет набегающий водный поток 17 без турбулентностей и срывов потока с поверхности прилегающего крыла 4. Вариант выполнения изобретения,изображенный на фиг, 1-3, 9-10, характеризуется тем, что продольная ось шарнира 7 составляет с проекцией ватерлинии 6 на вертикальную плоскость, проходящую через продольную ось шарнира, угол a, раскрытый своими сторонами в направлении к носу судна Величина угла a, отсчи тываемая от ватерлинии, лежит в пределах a = 0,5-27° и зависит от конструкции корпуса судна и его парусного вооружения, условий эксплуатации и других причин. Такая величина угла обеспечивает угол атаки крыла, при котором на рабочей поверхности крыла возникает подъемная сила, направленная вверх. Эта же сила обеспечивает устойчивость судна. Оптимальная устойчивость судна обеспечивается при a опт. = 10-15°. На фиг. 5-7, 11, 12 отображен вариант выполнения изобретения при величине угла a= 90°, т.е. шарнирное соединение прилегающих крыльев 4 к корпусу 1 выполнено так, что оси шарниров вертикальны, а сами крылья 4 выполнены с возможностью из складывания (в нерабочем положении) под днищем корпуса 1, как это показано на фиг. 6, с возможностью их поворота вокруг вертикальных осей шарниров 7. На фиг. 5 нерабочее положение прилегающих крыльев 4 обозначено через 41 и показано пунктиром. Участок нижней части 42 крыла 4 на свободном конце, удаленном от места крепления крыла 4 к корпусу 1 (фиг. 6, 7), выполнен несимметричного поперечного сечения с выпуклостью, направленной наружу от борта корпуса 1 (фиг. 12), а на конце участка 42 крыла 4, размещенном вблизи места крепления крыла 4 к корпусу 1 - с выпуклостью, направленной в сторону к борту корпуса 1 (фиг. 11). Поэтому силы F 3 и F4, возникающие на этих участках крыльев, направлены в противоположные (по отношению к корпусу) стороны. Участок, размещенный вблизи места крепления крыла к корпусу, выполняем роль шверта с регулируемым углом атаки за счет поворота крыла 4 вокруг оси шарнира 7. При этом изменяется горизонтальная составляющая силы F3, возникающей на "шверте" и направленной против дрейфа судна. В то же время сила F4 обеспечивает повышение момента устойчивости Муст. судна, а также способствует уменьшению величины смачиваемой поверхности корпуса судна, что снижает гидродинамическое сопротивление судна, улучшая его мореходные качества. Оптимальное значение угла для варианта, показанного на фиг. 5-7, составляет a опт. = 90+15° и зависит от конструкции корпуса, особенностей крыльевой системы, особенностей эксплуатации и др. причин. Вариант выполнения изобретения, отображенный на фиг. 8, 13, 14, характеризуется тем, что значение величины угла a составляет a£15°, а прилегающие крылья 4 выполнены с возможностью их складывания при повороте вокруг оси шарнира 7 в нерабочее положение над палубой 9. При этом нижняя свободная часть крыла 4 на конце, удаленном от места крепления крыла 4 к корпусу 1, выполнена несимметричного профиля поперечного сечения с выпуклостью, направленной наружу от борта корпуса 1 (фиг. 13), а на конце, размещенном вблизи места крепления крыла 4 к корпусу 1 - симметричного профиля поперечного сечения (фиг. 14). Силы F5 и F6, возникающие на этих участках крыла 4, направлены в противоположные (по отношению к корпусу судна) стороны и обеспечивает тот же эффект, что и в предыдущем случае. На свободном конце крыла 4 (фиг. 8) установлено шарнирно связанное с ним вспомогательное крыло 20 с возможностью его отклонения от диаметральной плоскости 21 судна посредством поворота вокруг оси шарнира 22. Вспомогательное крыло 20 существенно увеличивает подъемную силу крыльевой системы, обеспечивает улучшенные условия для противодействия крену и дрейфу и, кроме того, заменяет рули поворота. Вспомогательное крыло 20 может быть установлено нормально к образующей рабочей поверхности крыла 4. Вспомогательное крыло 20 может быть установлено под углом к вертикали, значение величины которого лежит в пределах β = 1+31°. Оптимальное значение угла составляет βопт. = 7-21° и зависит от конструкции судна, парусного вооружения, условий эксплуатации и других причин. Крыло 4 в рабочем положении (фиг. 8) прикреплено к борту судна с помощью башмаков 23, а в нерабочем положении над бортом - с помощью стопорного механизма (не показан). Характерной особенностью всех вариантов заявленного изобретения является то, что менее удаленная от места крепления к корпусу часть крыла в рабочем положении выполняет преимущественно противодрейфовую функцию шверта, а часть крыла, наиболее удаленная от места крепления, выполняет преимущественно противокреновую функцию. Заявленная конструкция работает следующим образом. При выходе судна на достаточную глубину с помощью гидроцилиндров 5 раскрывают крылья 4 и переводят их в рабочее положение. При возникновении ветровой нагрузки на судно и связанного с ним крена корпуса 1 наветренное крыло 4 выходит из воды, а подветренное крыло 4 погружается. В результате этого на наветренном крыле резко уменьшается, а на подветренном – резко увеличивается подъемная сила крыла. За счет разности сил, создаваемых крыльями, создается момент устойчивости, препятствующий крену, стремящийся возвратить судно в нормальное (вертикальное) положение. Момент действует до тех пор, пока не наступит равновесие сил, создаваемых крыльями. Заявленная конструкция практически полностью устраняет крен. Это возможно потому, что конструкция обеспечивает возможность регулировать в широких пределах разность подъемных сил, возникающих на крыльях. Кроме того, это возможно потому, что конструкция обеспечивает воздействие на судно существенно больших по величине противокреновых и противодрейфовых сил, чем в известных конструкциях, а также существенно увеличенной длины плеч, на которых действуют указанные силы относительно центра тяжести судна. Это обеспечивает выполнение условия устойчивости Муст.>>Мопр. При отсутствии дрейфа малое крыло 16, укрепленное на шарнире 15 перед нижней частью крыла 4, располагается в одной с ним плоскости. При появлении дрейфа набегающий поток воды 17 поступает на крыло 4 с подветренной стороны под некоторым углом и отклоняет малое крыло 16 до упора 18, ограничивающего угол его поворота. Благодаря этому малое крыло 16 направляет дополнительный поток 17 воды на выпуклую нижнюю часть подветренного крыла, создавая на нем дополнительную силу, которая удерживает судно от дрейфа. При смене галса парусное судно работает другим крылом для удержания судна от дрейфа. При курсе фордевинд и отсутствии дрейфа и крена малое крыло 16 самоустанавливается параллельно диаметральной плоскости 21 судна. При подходе судна к отмелям или причалу крылья 4 прижимают плотно к бортам корпуса 1 гидроцилиндрами 5. Особенность работы заявленной конструкции, показанной на фиг. 5-7, заключается в том. что при выходе судна на достаточную глубину крылья 4 выводят в рабочее положение путем их поворота с помощью приводного механизма (не показан) вокруг вертикальных осей шарниров 7, после чего крылья 4 стопорят в рабочем положении (механизм стопорения не показан). При возникновении крена одновременно возникает дрейф. При появлении крена подветренное крыло 4 погружается, наветренное - наоборот, выходит из воды. В результате этого на наветренном крыле 4 подъемная сила резко уменьшается, а на подветренном - резко увеличивается. Момент устойчивости судна, определяемый разностью подъемных сил крыльев 4, нарастает с удвоенной скоростью, что обеспечивает уверенное выведение судна в вертикальное положение. Особенность работы варианта заявленной конструкции, иллюстрируемого фиг. 8, заключается в том, что при выходе судна на глубокую воду крылья 4, сложенные над палубой 9, опускают, поворачивая их вокруг осей практически горизонтальных шарниров 7 (приводной механизм не показан), и крепят к корпусу с помощью башмака 23. После этого, получив разгон, судно поднимается на крыльях, что уменьшает площадь смачиваемой поверхности судна и в результате резко снижает гидродинамическое сопротивление корпуса судна. Это способствует тому, что судно полностью выходит на крылья. В этом варианте заявленной конструкции крен и дрейф также возникают одновременно. Конструкция обеспечивает противокреновые и противодрейфовые действия, как описано выше. Нижние концы крыльев 4 удерживают судно над водой, вспомогательные крылья 20 управляют противокреновыми и противодрейфовыми действиями и заменяют рули (механизм управления не показан). Заявленная конструкция существенно 5 снижает крен и дрейф судна на курсе по сравнению с известными конструкциями и уверенно обеспечивает условие устойчивости Муст.>>Мопр. без ухудшения прочностных и мореходных качеств судна.