Слижевский Гидробионика в судостроении

Как видно из рис.3.6, амплитудно-частотная характеристика напоминает резонансную характеристику гармонических вынужденных колебаний механической системы. В этом случае одному и тому же размаху соответствуют две частоты колебаний: одна – докрити- ческая n < nk и другая n > nk – закритическая. Первая из них соответствует меньшей скорости плавания, при которой энергетически целесообразна малая упругость тела хвостового плавника, вторая – большей скорости, при которой целесообразна большая упругость. При n = nk наступает явление резонанса, при котором частота собственных колебаний стебля и плавника, представляющих собой упругую систему, совпадает с частотой гармонических колебаний гибкой части тела и плавника. При этом движение развилки хвостового плавника является результатом сложения изгибно-колебательных движений хвостового стебля относительно центра тяжести тела дельфина и вращения плавника относительно конца стебля. Что же касается собственных колебаний стебля и плавника, то оно регулируется в зависимости от режима движения автоматически действующими органами регулирования упругости тела дельфина и плавника.

Экспериментами в морском бассейне, а также исследованиями Ж.И.Кусто в натурных условиях установлено, что наиболее часто дельфины плавают с частотой колебаний хвостового плавника, близкой к критической: nk = 1,5…1,9 Гц, которая соответствует частоте пульса дельфина (80…130 ударов в минуту). Это соответствует известному факту, что в механических системах резонансная частота наиболее эффективна, так как она отвечает минимуму затрат энергии.

В отличие от технических конструкций, для которых по условиям механической прочности и усталости материалов, как правило, не допускают резонансных режимов, для дельфинов эти режимы обычны и, более того, целесообразны. Однако для пользования ими дельфин должен обладать надежными и автоматически действующими органами регулирования упругости лопастей хвостового плавника. Это явление называется регулируемым гидроупругим эффектом.

У рыб, артериальное давление крови которых на порядок меньше, чем у дельфинов, и хвостовой плавник пластинчатый, подобное регулирование невозможно.

'ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

3.4.Пропульсивный гидрореактивный движитель

Âпроцессе развития головоногие моллюски, прежде всего кальмары, достигли больших скоростей плавания с помощью пульсирующего водоструйного движителя, который представляет собой ман- тийно-вороночный комплекс органов с кольцевыми мышцами. Пропульсивная сила создается за счет периодического забора воды через относительно большую кольцевую щель в полость мышечной мантии и последующего выбрасывания струи с большой скоростью через узкую центральную воронку. Кроме этого, кальмар может двигаться также с помощью плавников.

На рис.3.7 приведен схематический разрез тела кальмара. Размеры его тела весьма разнообразны. Наибольший зарегистрированный экземпляр достигал в длину 17 м с вытянутыми щупальцами. Причем 11 м длины составляли щупальцы. Однако крупные кальмары встречаются редко. Свыше 90 % их видов составляют экземпляры, длина которых не превышает 0,5 м.

Рис.3.7. Схематическое изображение кальмара в момент выброса струи:

1 – кормовая оконечность кальмара; 2 – плавник; 3 – часть тела, называемая мантией; 4 – реактивное сопло; 5 – выбрасываемая кальмаром струя; 6 – передняя часть кальмара, которая при обычном движении находится сзади; 7 – щупальцы; 8 – голова кальмара; 9 – отверстие в мантии для забора воды

Форма тела кальмара чаще всего веретенообразная и разделена на мантию с плавником и голову с гидрореактивным соплом и щупальцами. Кормовая часть мантии, которая при движении кальмара под действием гидрореактивной струи обращена в сторону движения, закруглена, что улучшает условия обтекания его тела. Форма шпангоутов – круглая или близкая к ней.

Сопло пульсирующего водоструйного движителя расположено за головой и его входное отверстие при поступательном движении кальмара направлено в сторону, противоположную движению, а струя воды выбрасывается под углом 5…10° к продольной оси тела. Движущая сила в этом случае создается только за счет пульсирующего водоструйного движителя. Парные плавники в этот момент плотно прилегают к мантии.

Воронка функционирует как поворотное сопло гидрореактивного пульсирующего движителя. Разворачивая ее свободный конец, кальмар плывет в любом направлении. Стремительные броски кальмаров сопровождаются сильными изменениями формы тела. Так, наибольший диаметр мантии в момент заполнения составляет пятую часть длины всего тела, а при выбросе уменьшается в два раза.

3.5. Техническое моделирование движителей гидробионтов и их использование при создании судовых движителей

Принцип движения гидробионтов с гидрореактивным движителем нашел свое практическое применение в судостроении. Если волновой и плавниковый движители как средство передвижения в воде находят применение только в последние 20...30 лет, главным образом в опытном порядке, то водометный движитель является одним из первых гидравлических движителей на судах, прошедший длительный путь развития и усовершенствования.

Водометный движитель имеет давнюю историю. Патенты на водометы, явившиеся первыми судовыми гидравлическими движителями, были выданы более 300 лет назад, когда в 1661 г. английскими изобретателями Т.Гудом и Д.Хейесом была предложена конструкция судна с водометом, названным ими "раздувательным мехом". По их предложению реактивная тяга судна создавалась путем "форсирования воды мехами" по каналу, расположенному в ДП. Несмотря на примитивность, конструкция движителя, предложенного Т.Гудом и Д.Хейесом, содержала в себе основные элементы современного движителя.

Начиная со второй половины XVII до конца XIX века, когда популярность водомета достигла наивысшего уровня, в различных странах было зарегистрировано огромное количество изобретений всевозможных вариантов водометных движителей. Многие изобре-

татели в то время полагали, что водомет – самый перспективный движитель, и поэтому прочили ему большое будущее. Однако опыт эксплуатации судов, оборудованных водометными движителями, не оправдал этих надежд. Оказалось, что гребной винт в ряде случаев более эффективен. И поэтому в первой половине XX века интерес к ним упал. С середины XX века роль водометов в судостроении вновь возросла.

Еще недавно водометы применялись на судах внутреннего плавания, в условиях мелководья, когда работа гребных винтов малоэффективна по причине ограниченной осадки. В настоящее время водометные движители находят широкое применение на судах различного назначения. Объясняется это тем, что благодаря усовершенствованию насосов и проточной части удалось повысить КПД водометов и таким образом существенно сократить разрыв между эффективностью водометов и других типов движителей. Повышению роли водометов способствовало также расширение сферы их применения – они стали использоваться не только в качестве движителей, но и как средство активного управления (подруливающие устройства). Более того, при скоростях свыше 50…60 уз водометный движитель для надводных судов более эффективен по сравнению с гребным винтом и поэтому его используют, например, на судах на подводных крыльях (СПК) вместо кавитирующих гребных винтов.

За весьма длительный период (более 300 лет) своего развития и совершенствования появилось большое количество конструкций водометов, нашедших практическое применение на судах мирового флота. Наиболее общим конструктивным признаком водометов является наличие направляющего канала и рабочего органа. В зависимости от типа последнего и метода ускорения жидкости направляющие каналы бывают круглого или прямоугольного сечения.

По способу создания реактивной струи непрерывного действия (для гидробионтов реактивная струя импульсная) водометные движители, используемые на судах, можно классифицировать на движители с механическим приводом и с гидрореактивным (рис.3.8).

Рабочим органом водометных движителей чаще всего являются осевые пропеллерные насосы – одно- и многоступенчатые; реже используются центробежные насосы. Водометные движители часто оборудуют устройствами для поворота выбрасываемой струи, выполняемыми в виде насадок, и специальными рулями, обеспечиваю-

щими реверс струи. В качестве рабочего органа для гидрореактивных водометов (газоводометы) берется сжатый газ.

Рис.3.8. Схемы водомета с механическим органом:

а – с выбросом под воду; б – с выбросом струи в атмосферу

Волновые движения тела гидробионтов и машущие движения плавников в обеспечении поступательного движения с постоянной скоростью или ускорением подсказали исследователям идею использовать этот принцип для создания технических средств движения в воде (надводные и подводные суда, подводные аппараты и др.). Рассмотрим пример экспериментального и практического применения движителей типа "машущее крыло" и волновых движителей.

ÂГермании под руководством проф. Г.Хертеля были осуществлены исследования особенностей движительных комплексов морских животных и на их базе предложена и экспериментально реализована идея использования на судне в качестве движителя упругого машущего крыла. С этой целью была создана модель с колебательным приводом (рис.3.9).

Âкачестве движителя, приводимого в движение специальным приводом, на этой модели был применен тонкий металлический лист длиной 0,4 м, высотой 0,1 м и толщиной 0,3 мм, который совершал поперечно-крутильные колебания с амплитудой поперечных

a = 70 мм и крутильных колебаний β0 = 35° и частотой f = 3,1 c–1, закон колебаний – гармонический:

η = acos 2πft è β = acos 2β ft.

За счет упругих свойств пластинки на ее поверхности возникала

волна длиной λ = 0,55 м и средней фазовой скоростью с = 1,7 м/с. Скорость поступательного движения модели составляла υ0 = 0,65 ì/ñ,

и, таким образом, υ /с = 0,38. Достигнутая при этом величина сред-

0 ~

него упора, создаваемого машущим движителем, составила T ~3 H и КПД η0 = 0,5…0,6.

Рис.3.9. Модель TUB-TUB-1 с движителем колебательного типа:

1 – плавник (движитель), совершающий колебания; 2 – привод попереч- ных перемещений; 3 – привод вращательных перемещений; 4 – направляющие; 5 – стрела кормового руля; 6 – кормовой руль

Экономия топлива, играющая первостепенную роль во всех отраслях народного хозяйства, имеет особенное значение в организации водного транспорта. Действительно, судно, имея определенную норму топлива, вынуждено принимать на борт медленно расходуемый его запас, вследствие чего увеличивается водоизмещение, а часть потребляемого топлива затрачивается на его собственную перевозку.

По этим соображениям даже небольшой выигрыш в мощности оправдывает немалые начальные затраты при постройке судна, связанные с улучшением его пропульсивных качеств. Между тем судно, предназначенное для плавания в морских или озерных бассейнах, значительную часть времени эксплуатации проводит в условиях волнения, представляющего одну из форм механической энергии, запас которой практически неисчерпаемый. Расчеты показывают, что

мимо судна, находящегося на волне, непрерывно и бесполезно течет поток энергии, величина которой достигает десятки тысяч киловатт. Поэтому создание устройств, позволяющих использовать хотя бы часть этой энергии для улучшения пропульсивных качеств судна, представляет несомненный практический интерес. Наиболее удобной с этой точки зрения является энергия волн, идущая на раскачи- вание судна и аккумулируемая им в форме механической энергии колебательного движения.

Простейшим и весьма совершенным гидравлическим устройством для создания движущей силы за счет потребления энергии кач- ки (бортовой или продольной) является машущее крыло. Впервые в 1936 году идея и теоретическое обоснование применения машущих крыльев, потребляющих энергию бортовой качки, была предложена Г.Е.Павленко. Если представить себе крыло укрепленным в районе скулы в подводной части корпуса судна, то можно найти такое положение крыла, при котором подъемная сила будет иметь направление, способствующее продвижению судна вперед. Так как поперечная качка судна сопровождается его поступательным движением, то необходимо, чтобы

в районе скулы устанавлива-

Рис.3.10. Схема машущего крыла

ются машущие крылья, совершающие крутильные колебания вокруг оси, ориентированной по

нормали к наружной обшивке. Ось вращения проходит впереди центра давления крыла; таким образом, если бы вращение совершалось свободно, то плавники, подобно флюгерам, располагались бы по направлению потока и подъемная сила в этом случае не возникала. Поэтому, чтобы создать условия возникновения подъемной силы, необходимо подпружинить плавник с помощью какого-либо упру-

гого элемента, возвращающего плавник в нейтральное положение при его отклонении в ту или иную сторону.

Принцип его действия состоит в следующем. Пусть судно движется со скоростью υ и, кроме того, совершает поперечную качку, которая дает в месте расположения плавника поперечную скорость u. В этом случае плавник будет обтекаться потоком со скоростью W, величина и направление которой определяются выражениями

Находясь под действием результирующего потока, плавник отклонится от центрального положения на угол j < β за счет действия упругого элемента и будет обтекаться потоком жидкости под углом атаки α = β – γ. В этом случае возникает подъемная сила R, горизонтальной составляющей S которой является движущая сила, а вертикальная составляющая T способствует гашению бортовой качки судна.

Идея применения машущего жесткого крыла в качестве судового движителя, использующего энергию волн или работающего от специального привода, находит в последние 10…20 лет свое практи- ческое применение на различных судах.

Так, в 80-е годы норвежской фирмой "Wave Control Co" разработан ряд проектов судовых движителей типа "машущего крыла", работающих от специального привода или на энергии продольной качки судна на волнении. Полученные на моделях судов экспериментальные данные, а также результаты расчетов показали, что судно длиной 45 м с кормовыми движителями в виде вертикально расположенных машущих крыльев, работающих от специального привода, может развивать скорость до 15 уз. По мнению создателей, эти движители могут оказаться весьма эффективными для малых судов и их целесообразно применять на спортивных, спасательных и буксирных судах.

Этой фирмой разработан также проект пропульсивной установки, использующей энергию продольной качки судна. Установка состояла из горизонтально расположенного машущего крыла, смонтированного на специальных стойках в носовой оконечности судна. При продольной качке носовая оконечность совершает вертикальные гармонические колебания, за счет чего горизонтально располо-

женное крыло, которое крепится к баллеру, будет совершать посту- пательно-крутильные колебания. Такой установкой было оборудовано норвежское научно-исследовательское рыболовное судно "Kustfangs" длиной 20,4 м.

Аналогичные исследования по практическому применению плавникового движителя проводились в Японии фирмой "Hitachi Zosen". На рыбопромысловом судне вместимостью 20 рег. тонн в носовой оконечности была установлена горизонтальная пластина 1,05Ч3,80 м. Использовались активная (механический привод и ЭВМ) и пассивная (энергия продольной качки на волнении и пружин) формы управления носовым плавниковым движителем. Эксплуатация этого движителя рекомендовалась при умеренном волнении.

Проект "машущее крыло" в качестве вспомогательного движителя с использованием энергии продольной качки на волнении был также осуществлен в Швеции на одном из небольших судов (длиной около 40 м). Опыт эксплуатации показал, что примерно 60 % энергии, затрачиваемой на движение судна со скоростью 8 уз, обеспечи- валось за счет энергии продольной качки на волнении.

В 90-х годах по проекту института механики МГУ на одном из стапелей Санкт-Петербургской судостроительной верфи было осу-

100 ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

волнам с периодом τ = 1,6 с и высотой h = 0,2 м, что соответствует скорости 7 уз натурного судна.

производства, с помощью которых тренированный пловец

12 3 4 5 h, баллы может увеличить скорость

движения на 15…20 % по сравнению с плаванием без ласт способом "кроль".

Идея применения моноласта состоит в том, что при плавании способом "дельфин" пловец совершает колебательные движе-

ния в вертикальной плоскости всем телом, поэтому эффективно работают самые крупные группы мышц человека – спины и живота. Все это наряду с использованием моноласта, тонкая лопасть которого может значительно изгибаться и тем самым вписываться в волновой характер движения пловца, позволяет получить дополнительный прирост в скорости плавания. Основным движителем является моноласт, состоящий из одной лопасти и пары резиновых галош, скрепленных с лопастью. Обычная форма лопасти трапециевидная с волнистой кромкой, имеет длину 0,65…0,90 м и размах 0,65…0,87 м. Ñпортсмен высокой квалификации может развивать среднюю тягу T ~ 300 Н, что позволяет достигать скорости до 2,75 м/с, являющейся биологически предельной для человека.

Выше было рассмотрено использование в качестве движителей для технических средств движения в виде "машущего крыла", являющегося техническим аналогом плавниковых движителей рыб и китообразных. Остановимся на волновых движениях тела гидробионтов для создания волновых движителей.