Каверны: пустоты в дне судна, или как это работает

Каверны: пустоты в дне судна, или как это работает

Вода для корабля — родная стихия. Но слишком вязкая. Суда могут иметь почти неограниченную грузоподъемность, несравнимую ни с каким другим видом транспорта, но точно так же по скорости они практически всем видам уступают. Чтобы заставить судно двигаться быстрее, надо тратить много энергии, делать более прочный корпус или… слегка оторвать корабль от воды.

Когда позволили технологии, рядом с водоизмещающими судами появился транспорт на подводных крыльях, на воздушной подушке, на экранном эффекте. Смысл этих решений заключался в том, чтобы полностью или частично вытащить корпус судна на поверхность, избавив его от трения о воду. Но есть еще один вариант, который стали разрабатывать еще в XIX веке, но который остается весьма перспективным и в наши дни. Речь идет о технологии, позволяющей уменьшить сопротивление движению судна за счет подвода газа к его корпусу.
Плотность воздуха примерно в 800 раз меньше плотности воды. Когда часть смоченной поверхности корпуса изолируется воздухом от контакта с водой (и возникают так называемые воздушные каверны), то в этом месте сопротивление трения уменьшается в 800 раз. Соответственно, чем больше изолируемая площадь и чем больше составляющая трения в общем балансе силы буксировочного сопротивления, тем выше эффект от применения каверн.

Практика без теории

Первый патент на использование воздушных прослоек был выдан в США в 1848 году, однако эта идея опередила уровень развития техники на многие десятилетия. В 1883 году шведский инженер и изобретатель Густаф де Лаваль запатентовал устройство для подачи пузырьков воздуха в районе форштевня судна. Спустя некоторое время швед предпринял попытку экспериментально проверить эффективность придуманного им устройства. К глубокому разочарованию автора изобретения попытка оказалась неудачной.

Схема судна с воздушными кавернами разработки Крыловского государственного научного центра.

В 1887 году русский инженер-механик С. Тимохович сделал заявку на выдачу ему привилегии на «способ уменьшения трения судов о воду и прилипания ее к их поверхности». Его идея заключалась в подаче на подводную часть корпуса воздуха или водомасляной эмульсии через специально устроенные трубы.

На быстроходных катерах первую по времени работу в области практического использования подачи воздуха под днище (аэрации днища) выполнил Д. М. фон Томамюль. В 1916 году он построил для австрийского флота торпедный катер — первый глиссер с «воздушной смазкой». Воздух под днище нагнетался центробежным вентилятором. Область воздушной прослойки ограждалась бортовыми стенками — снегами и поперечным реданом (ступенькой на днище). При мощности двигателей 480 л. с. катер показал скорость 40 узлов, однако дальнейшего развития эта удачно начатая работа не получила.

В мировом судостроении в наши дни экспериментируют как собственно с воздушными кавернами (создавая в днище судна полости, в которых с помощью насосов поддерживается давление газа, изолирующего судно от воды), так и с пузырьковой смазкой. В последнем случае под гладкое днище через специальные каналы выводится плотная пелена пузырьков. На схеме показан пример такого решения.

В последующие годы идея использовать воздух для снижения сопротивления являлась предметом многочисленных исследований и изобретений как в нашей стране, так и за рубежом. Предлагались различного рода конструкции для образования газовых прослоек на днище судна, которые, однако, не только не находили практического применения, но даже не подвергались серьезной экспериментальной проверке. Исключение составляют работы Л. М. Лапшина и К. К. Федяевского.

Почему неудачи?

В СССР в 1924 году на реке Ливенке Лапшин начал эксперименты с грубой моделью мелкосидящего плоскодонного речного судна размерами 2,5 х 0,22 х 0,02 м для проверки эффективности подачи воздуха под днище, а в дальнейшем впервые выполнил натурную проверку в 1938 и 1957 годах. Воздух нагнетался специальной воздуходувкой под носовую часть днища с помощью трубопроводов, выходные отверстия которых были установлены заподлицо с днищем.

В 1938 году для натурной проверки была переоборудована деревянная баржа длиной 25 м, шириной 7,7 м, осадкой 2 м. В результате ее испытаний был получен незначительный положительный эффект. Для его подтверждения в 1957 году была переоборудована более крупная стальная сухогрузная баржа серийной постройки длиной 75 м, шириной 13 м, осадкой 3,2 м. Однако в процессе испытаний даже этот незначительный эффект не подтвердился. Неудача опытов Лапшина объяснялась тем, что при выбранном способе подачи воздуха не формировалась устойчивая газовая прослойка, которая отделяла бы воду от обшивки корпуса. Пузыри воздуха уносились потоком из носовой оконечности днища по направлению к корме.

Испытания быстроходного судна, проведенные под руководством Федяевского в 1943 году, также не показали значительного снижения сопротивления.

Решение найдено

Ситуация сложилась парадоксальная: теоретические работы показывали возможность серьезного снижения сопротивления воды, но на практике достичь успеха не удавалось. Это очевидное несоответствие стимулировало выполнение более детальных исследований физических закономерностей развития газовых прослоек, образованных на днище судна.

Работы были начаты в ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова (ныне ФГУП «Крыловский государственный научный центр») в конце 1950-х инженером А. Н. Ивановым. На основании гипотезы об аналогии тонких газовых слоев и искусственных каверн он предложил использовать для определения формы и размеров воздушных прослоек аппарат теории развитой кавитации. Это позволило изучить влияние геометрии смоченной части днища и скорости движения судна на параметры воздушных прослоек — искусственных каверн. Были также получены интересные экспериментальные факты, которые стимулировали дальнейшее изучение искусственной кавитации и ее использование для снижения гидродинамического сопротивления. Наступило время испытать технологию на практике.

Применение каверны на транспортных судах и на глиссирующих катерах (у этих судов сила трения составляет примерно половину полного сопротивления) позволяет уменьшить буксировочное сопротивление на 17−30% при энергетических затратах на подачу воздуха, не превышающих 2−3%. На небольших (до 40 т) глиссирующих катерах для создания каверны можно использовать выхлопные газы главных дизелей. Искусственные каверны можно применять либо для снижения мощности при сохранении скорости судна — это более актуально для водоизмещающих судов, либо для увеличения скорости полного хода при сохранении мощности главных двигателей, что наиболее целесообразно для глиссирующих. За счет применения каверны скорость катера может возрасти примерно на 10%, например с 50 до 55 узлов. В этом случае можно, во‑первых, повысить конкурентоспособность судна и, во‑вторых, увеличить дальность плавания, ограниченную временными рамками.

Все решает автоматика

Одной из последних разработок Крыловского центра является автоматизированная система создания каверн на днище транспортного судна. В предлагаемой версии устройства для создания воздушных каверн выступающие части (продольные и бортовые кили, поперечные козырьки) выполняются подвижными. В рабочем состоянии они выступают за основную плоскость днища и служат для образования и поддержания каверн, а в необходимых случаях (прохождения судном участков предельного мелководья, шлюзования, движения в условиях сильного волнения, движения задним ходом и т. п.) эти элементы устройства автоматически поднимаются и практически не выступают за основную плоскость днища. Для восполнения воздуха в каверне и поддержания ее устойчивости используется воздушная система, состоящая из вентилятора и трубопровода. Другой новой разработкой является устройство для защиты от попадания воздуха из каверны на гребной винт, предотвращающее его износ. Еще одна полезная функция воздушной каверны позволяет транспортным судам ледового класса освобождаться из ледового плена.

Крыловским центром разработан концептуальный проект танкера дедвейтом 180−200 тыс. т с ограниченной осадкой и энергосберегающей каверной. Разработана технология высвобождения от заклинивания во льду морского транспортного судна с воздушной каверной на днище.

За последнее десятилетие при активном участии Крыловского центра разработаны четыре проекта транспортных судов с кавернами. Это сухогруз «река — море» дедвейтом 8000 т, универсальный навалочник-контейнеровоз дедвейтом 70 000 т, «Балтик-макс-танкер» ледового класса Arc4 дедвейтом 200 000 т и контейнеровоз Post-Panamax грузовместимостью 9500 TEU. На судостроительных заводах России продолжается строительство нескольких проектов катеров с каверной, спроектированных ЦКБ по СПК им Р. Е. Алексеева. На сегодняшний день искусственные каверны позволяют получить эффект по снижению сопротивления, недостижимый ни одной из известных энергосберегающих технологий.

Редакция «ПМ» благодарит ФГУП «Крыловский государственный научный центр» за помощь в подготовке статьи.

Статья «Полет на кавернах» опубликована в журнале «Популярная механика» (№11, Ноябрь 2017).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.