Документы, цитированные в отчёте о поиске 2

Номер документаДата публикацииАвторыНазвание

SU1439029A11988.11.23ГЕРЛИТЦ ВОЛЬФГАНГПоворотный вставной шверт для парусных досок

SU1581648A11990.07.30МЕДВЕДЕВ БОРИС АЛЕКСАНДРОВИЧШвертовое устройство парусного судна

Документы, со ссылками на патент 1

Номер документаДата публикацииАвторыНазвание

RU2327595C12008.06.27Бессонов Павел Евгеньевич (RU)ШВЕРЦЫ

 

И из книги Перегудова.

Шверты, шверцы и руль

На тяжелых, глубоко сидящих в воде парусных судах противостоящее дрейфу боковое сопротивление создается непосредственно корпусом. Корпус судна действует как крыло малого удлинения и, чтобы такое крыло работало, судно должно идти с некоторым углом дрейфа. На легких судах с незначительным заглублением угол дрейфа оказывается столь большим, что судно дрейфует боком. Для уменьшения угла дрейфа применяют дополнительные элементы: шверты и шверцы. Считают, что парусное судно хорошо уцентровано, если в средний ветер на курсе бейдевинд оно слегка приводится при поднятом руле. Чтобы обеспечить это, шверт или шверцы располагают по длине судна так, чтобы центр бокового сопротивления судна находился несколько впереди его центра парусности.

На швертботах обычно применяют плоские секторные шверты не устраняющие дрейф судна, но и не выламывающие швертовый колодец при наезде на мель. Среди яхтсменов бытует мнение, что дрейф неустраним в принципе. Однако это неверно. Дрейф яхт возникает из-за применения на них для создания силы бокового сопротивления килей и швертов симметричного профиля ориентированных в ДП судна. Если тот же киль развернуть под углом к диаметральной плоскости, то он создаст необходимую силу бокового сопротивления без дрейфа самой яхты. Такие самоустанавливающиеся шверты используют на надувных катамаранах.

Еще проще проблема дрейфа разрешается навеской на борта судна шверцев асимметричного профиля. Дж.Норвуд, рекомендующий шверцы, не без язвительности замечает:

— Просто удивительно, почему шверцы до сих пор не нашли применения на гоночных многокорпусных судах; наверное, единственной тому причиной является то, что конструктора не представляют их иначе как в сочетании с тихоходными баркасами по сей день плавающими по реке Темзе.

Шверцы применяют на байдарках, надувных лодках, катамаранах, они использованы на шверцботе у Наумова и на моем тримаране. Шверцы могут иметь как симметричный, так и асимметричный профиль, причем применение выпукло-вогнутых асимметричных профилей позволяет существенно уменьшить габариты и вес шверцев. При подвеске шверцев на борту судна, им задают –начальные установочные углы атаки, что позволяет избавиться от дрейфа.

Руль на хорошо уцентрованных судах используется в основном для изменения курса и может иметь небольшую площадь, что улучшает ходкость судна. Руль тем эффективнее, чем больше плечо на котором он работает; шверт и руль стараются разнести как можно дальше. Однако на судах с маленькими рулями возникают осложнения на полных курсах. Парус, стоящий поперек судна и вынесенный на фордевинде за борт, создает значительный приводящий момент, противодействовать которому кроме как рулем нечем; для уверенного управления парусным судном на полных курсах необходимы рули большей площади чем на лавировке. Некоторые суда плохо делают поворот оверштаг, увеличение площади рулей помогает и в этом случае.

По мере совершенствования туристских парусных судов было заметно, как возрастают на них площади рулей. Обусловлено это было тем, что судно с небольшим рулем хотя и неплохо управляется на слабых ветрах, на сильных управляемость теряет и выходит из под контроля. Выдувание парусов сильным ветром нарушает центровку судна, оно глухо приводится, и небольшой руль не в состоянии этому противодействовать.

Бесшвертовки

Площадь большого руля на лавировке оказывается излишней. На некоторых судах, например, на коротких швертботах таких как “Мева”, когда по конструктивным причинам не удается разместить шверт там, где это необходимо по условиям центровки, сознательно идут на использование рулей большой площади для создания дополнительного бокового сопротивления, т.е. как шверт-рулей.

Дальнейшее развитие этой идеи привело к мысли о возможности полного отказа от швертового устройства, что позволяет упростить и облегчить судно. Были катамараны с одним шверт-рулем, закрепленным на задней балке моста, и даже такое чудо как подвесной парус А.Катайнена, в котором шверт-руль и мачта с парусом объединены в компактном едином узле, навешиваемом на транец любой лодки. Но то, что в подвесном парусе Катайнена шверт-руль недостаточно отнесен от мачты, дает парусное судно с нарушенной центровкой, ходкость и управляемость которого оставляют желать лучшего.

Недавно я сам опробовал подобную схему на своем новом летучем проа. Длина проа 4м, оно имеет три поперечные балки, на средней поставлена свободностоящая без вант мачта, поддерживаемая двумя раскосами. Мачта сдвинута на подветренный борт проа и наклонена на ветер под углом 20°. Парусное вооружение – бермудский кэт 6 м²; парус одет карманом на мачту и перекидывается на ту или иную оконечность лодки при смене галса. Управляется проа двумя шверт-рулями установленными на крайних поперечных балках; шверт-рули имеют асимметричный выпукло-вогнутый профиль. На ходу передний шверт-руль откинут назад под лодку и поднят из воды, работает только задний. Смена шверт-рулей при смене галса осуществляется легко, хотя это слегка занудливая процедура.

Получилась легкая – вес менее 40 кг разъездная лодка, на которой хорошо ходить в хорошую погоду, хотя в свежий ветер на волнении не обходится без подмоченного зада.

Должен сказать, что опробовав на практике обе известные схемы проа, тихоокеанскую и атлантическую, я пришел к выводу, что атлантическая схема, когда аутригер стоит под ветром, - не что иное, как европейский замуреж на полинезийские темы. На атлантическом проа непроизвольный поворот оверштаг вызывает опрокидывание лодки, поскольку с подветра у нее ничего нет и противодействовать перевороту нечем. На тихоокеанском летучем проа с наветренным страховочным поплавком непроизвольный оверштаг не опасен, хотя и создает лишние хлопоты.

В постановке парусов проа и управлении им имеются особенности; надо всегда помнить, с какого бока дует ветер. Принципиальной особенностью проа является то, что при смене галса лодка должна менять на обратное направление своего движения, т.е. остановиться и снова набирать ход. Поворот делается медленно; за время поворота лодку заметно сносит. Чтобы удостовериться, что на такой лодке все-таки можно лавировать в узостях, я устроил ей экзамен: с сильным попутным ветром глубоко зашел в реку Созь, а затем, взяв два рифа на парусе, выходил оттуда в лавировку. Повертеться пришлось, но выбрался.

Наклон мачты проа на ветер оказался необходим по условиям центровки лодки, но в нем имеется и другой смысл. При таком наклоне возникающая на парусе аэродинамическая сила имеет составляющую, направленную вверх; это создает аэродинамическую разгрузку лодки, парус вытаскивает ее из воды. На практике эффект аэродинамической разгрузки пока незначителен, но его следует иметь ввиду, поскольку он открывает новые возможности в парусном деле.

Площадь шверцев

На тримаране “Бриз” боковое сопротивление создается откидными шверцами выпукло-вогнутого профиля установовленными под углом к продольной оси судна. Тримаран лавирует без дрейфа; на лавировке работает только подветренный шверц, плотно прижатый потоком воды к баллону корпуса. Наветренный шверц, не несущий нагрузки, отбрасывается от корпуса и поднимается из воды. Прижатие шверца к мягкому баллону предотвращает ухудшение обтекания корпуса из-за наличия шверца и вентиляцию самого шверца.

При смене галса на тримаране следует производить смену шверцев; это как и на проа затрудняет лавировку в узостях. Однако оказалось, что на такой короткой лавировке можно идти поставив оба шверца и не трогая их при смене галса. Наветренный шверц, стоящий под небольшим отрицательным углом атаки, не создает своей подъемной силы и не несет нагрузки, а его сравнительно небольшим сопротивлением в данном случае можно пренебречь.

Шверц работает как крыло и при движении судна создает силу бокового сопротивления

(10)

где S_ш — заглубленная, находящаяся в воде площадь шверца.

Гидродинамические коэффициенты шверца, его подъемная сила и индуктивное сопротивление, как крыла конечного размаха, определяются приводившимися ранее соотношениями

(7),

где λ_ш — эффективное удлинение шверца.

На ходу шверц создает силу бокового сопротивления, равную аэродинамической силе дрейфа D. Соответственно, отношение площади шверца S_ш к площади парусности S_п будет равным

(11)

Входящее сюда отношение скоростей судна и вымпельного ветра выражается через углы γ и β с помощью формулы (2) треугольника скоростей. Имеем:

(12)

Для шверцев целесообразно использовать выпукло-вогнутый профиль К-2, поляра которого показана на рис.23; он при угле атаки α=5° и эффективном удлинении λ_эф =6 имеет С_Y =0,95 и гидродинамическое качество K_H =12,5. Приняв для оценки, что C_D =1,2, имеем γ = 50°, β = 30°.

Профиль	Х%	0	2,5	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
NASA - 0012	Ув	0	2,6	3,6	4,7	5,7	6,0	5,8	5,3	4,6	3,7	2,6	!.5	0
	Ун	0	2,6	3,6	4,7	5,7	6,0	5,8	5,3	4,6	3,7	2,6	1,5	0
К – 2	Ув	0,4	3,0	4,4	6,1	8,0	8,5	8,6	8,3	7,7	6,6	4,5	2,9	0,2
	Ун	0,4	3,0	0,7	1,5	2,9	3,4	3,7	3,8	3,5	3,1	2,2	1,1	0

Эффективность работы шверцев или шверта зависит от формы их профиля и их удлинения, но в любом случае потребная площадь шверцев невелика. Это обусловлено тем, что вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, а также возможностью применения для шверцев специальных профилей высокой эффективности. Хотел бы заметить, что большое число всевозможных профилей и методики несложных расчетов крыльев можно найти в литературе по авиамоделизму; они могут быть полезны при проектировании швертов и рулей парусных судов.

На многих катамаранах для создания бокового сопротивления используют один центральный шверт, который, поскольку он должен работать на обоих галсах, по необходимости имеет симметричный профиль; обычно применяют профили типа NASA-0006 и NASA-0009. Для таких швертов используют специальную тросовую расчалку, позволяющую им свободно разворачиваться на несколько градусов в обе стороны; разворот шверца потоком воды обеспечивает необходимый установочный угол атаки. Рули парусных судов также должны работать на обоих галсах; для них можно рекомендовать толстый симметричный профиль NASA-0012. Поляра и таблица ординат которого даны на рис.36. Его достоинство в том, что на нем срыв обтекания отодвинут до больших углов перекладки чем на тонких профилях, а тем более на плоской пластине. Руль с таким профилем получается тяжелым, но работает эффективно. Площадь руля “Бриза” с профилем NASA-0012 составляла 0,15 м², причем руль длинный; это необходимо, чтобы избежать потери управляемости тримарана при движении на крупной попутной волне из-за оголения пера руля.

На всех парусных судах традиционно применяют рули, шверты и шверцы, изготовленные из жестких материалов. Они громоздки и некомпактны; к тому же их симметричные профили малоэффективны. На ранее упоминавшемся гребном катамаране-велосипеде В.Полетайкина на транце одного из баллонов установлен для подруливания при гребле небольшой рулек, представляющий собой металлическую рамку, обтянутую тканью "Теза”. Такой руль работает как парус: при перекладке его в ту или иную сторону ткань прогибается, и руль приобретает тонкий асимметричный профиль.

То, что рули и шверты можно делать мягкими из ткани по типу паруса, было осознано давно, но на практике дело до этого так и не дошло. Руль катамарана В.Полетайкина – первый реально работающий образец гидропаруса. Были также попытки сделать жесткие шверты изменяемого профиля, но их конструкция получается очень сложной.

Для шверцев, работающих только на одном галсе, целесообразно применять эффективные выпукло-вогнутые профили. В свое время я сделал для “Бриза” из стеклопластика выпукло-вогнутые шверцы с профилем G-361 с рабочей площадью каждого из шверцев около 1% от площади парусов. Шверцы небольшие, легкие и никаких претензий к ним не было. Стеклопластик хорош тем, что если выпукло-вогнутый шверц оказывается недостаточно жестким, его легко нарастить с выпуклой стороны профиля.

Выпукло-вогнутые шверцы можно делать и из дерева; такие шверт-рули проа вытесаны топором и стамеской из обычной толстой доски –сороковки, отшлифованы, лакированы и вполне удовлетворительно работают.

Следует заметить, что на эффективных шверцах или швертах выпукло-вогнутого профиля, имеющих большую подъемную силу, возникает значительное разрежение, и возможен прорыв воздуха вниз по выпуклой стороне шверта; вокруг шверта может образоваться воздушная каверна. Она часто наблюдается, когда шверт работает на слишком больших углах атаки, особенно, если сорвано его обтекание. На “Бризе” вентиляция шверцев предотвращается тем, что они прижаты к мягкому баллону корпуса, действующему как уплотнитель. Там, где такого уплотнения нет, возможны осложнения.

Шверты, шверцы и рули – крылья конечного размаха, на оконечностях которых возникают краевые вихри, определяющие их индуктивное сопротивление; эффективность их работы зависит от их эффективного удлинения, которое, в свою очередь, определяется тем, как установлен шверт. Для свободного крыла полностью находящегося в воде или в воздухе, имеющего прямоугольную в плане форму, площадь S_ш и хорду профиля b, удлинение равно геометрическому λ=S_ш /b. Если шверт стоит под днищем судна, и перетекание воды через его верхнюю кромку отсутствует, его эффективное удлинение вдвое больше геометрического.

Возникающие за крылом, парусом или швертом вихревая пелена и краевые вихри, с которыми связаны их подъемная сила и индуктивное сопротивление, в однородной среде, в воде или в воздухе, невидимы, но их можно наблюдать, если свободно стоящий шверт пересекает поверхность воды. По разным сторонам такого шверта возникает разность уровней воды; обтекающие его струи смыкаются за ним с перепадом уровней, и за швертом возникает мощная спирально закрученная струя воды – вышедший на поверхность краевой вихрь. Хотя перетекание воды через верхнюю кромку шверта в данном случае отсутствует, приповерхностный краевой вихрь дает свой значительный вклад в индуктивное сопротивление шверта. Эффективное удлинение шверта, пересекающего поверхность воды, существенно меньше, чем у шверта, прикрытого сверху днищем судна.

Эффективность боковых шверцев катамаранов и шверт-рулей проа, имеющих выпукло-вогнутые профили, можно еще более увеличить, если делать их по типу разрезного крыла самолета с предкрылком и закрылком с большим удлинением. Это позволяет еще в 2-3 раза уменьшить их потребную площадь, но на практике такой вариант пока еще не испытывался. Смущает то, что шверты и шверцы должны быть не только эффективными, но и прочными; то же проа при подходе к берегу часто садится на свой шверт-руль; надо разрабатывать достаточно прочную конструкцию разрезного шверт-руля.

Кризис обтекания швертов

В своей книге В.Перегудов отмечал, что шверты и шверцы парусных судов плохо работают на малых скоростях хода и им недостает площади на слабых ветрах. Это действительно так, и связано с кризисом обтекания профиля швертов.

Уже упоминавшийся кризис обтекания, при котором сопротивление какого-либо тела, стоящего в потоке жидкости, резко падает с увеличением скорости потока, связан с переходом течения в пограничном слое на поверхности тела из ламинарного в турбулентное. Ламинарный пограничный слой неустойчив на выпуклых поверхностях и отрывается от них; срыв пограничного слоя вызывает за телом сильное вихреобразование и, соответственно, рост сопротивления. Турбулентный пограничный слой более устойчив, тело обтекается безотрывно с меньшим сопротивлением.

Параметром течения является число Рейнольдса Re. На крыльевых профилях критическое значение Re, при котором происходит кризис обтекания, составляет 50000–80000 в зависимости от формы профиля. При этом скачком изменяется не только сопротивление профиля, но и его подъемная сила; с уменьшением скорости течения при достижении критического числа Re она падает в несколько раз. Для шверта, имеющего к примеру ширину 20см, кризис обтекания наступает при скорости хода судна 0,5 м/с, из-за чего на слабых ветрах при малых скоростях хода судно оказывается практически без руля и без шверта, плохо управляется и не идет круто к ветру.

Явление кризиса обтекания хорошо известно в авиамоделизме и, поскольку летающие модели с их небольшими размерами и малой скоростью полета попадают как раз в кризисную зону, обязательно учитывается при выборе профилей их крыльев. Известно, что на моделях нельзя использовать авиационные самолетные профили, поскольку они теряют свои качества при малых скоростях полета. Нельзя слепо использовать приводящиеся в различных справочниках аэродинамические характеристики и поляры профилей, поскольку они верны только для тех чисел Re, при которых измерены. Применяемые на катамаранах шверцы плосковыпуклого профиля при малых Re ведут себя плохо; авиамоделисты предпочитают тонкие выпукло-вогнутые самотурбулизующиеся профили, сохраняющие свои характеристики и в кризисной зоне; такие профили пригодны и в нашем случае.

Стоит сказать и о форме шверцев в плане. Часто практикуемое придание им трапецевидной или эллиптичной формы гидродинамически не оправдано, поскольку понижает критическое значение числа Re; шверц должен иметь прямоугольную в плане форму; углы нижней кромки надо скруглять, но только для того, чтобы не обламывать их при посадке на мель.