Достижение на катере боль?ой скорости — одна из наиболее часто ставящихся задач. ?ногда хотят заменить старый двигатель новым, более сильным или же желают повысить скорость, чтобы быстрее попасть в отдаленные районы.
В литературе нередко приводят следующие данные: у катеров с водоизмещающим режимом движения требуемая мощность возрастает пропорционально третьей степени скорости; при переходном режиме - ли?ь в степени 2,2, а у глиссеров - пропорционально квадрату скорости. Это не соответствует действительности! На самые тихоходные и быстроходные катера всегда распространяется следующий закон: сопротивление в жидкой или газообразной среде возрастает пропорционально квадрату скорости, и поэтому мощность двигателя увеличивается пропорционально третьей степени скорости.
Однако волны, которые образуются на свободной поверхности воды от идущего катера, несколько усложняют этот простой закон Он не теряет своей силы, но имеет отступления: «боль?ой пик сопротивления» при R = 5,25 присущ всем катерам, которые плавают в его пределах; его влияние заметно, если R = 4ч-8. Кроме того, «малый пик сопротивления» наблюдается при U = 34 однако на такой малой скорости он едва заметен.
Предлагаемая диаграмма полностью зависит от боль?ого пика сопротивления, но на ней виден также и упомянутый малый пик. Поведение катеров с закругленной формой кормы показано круто поднимающейся вверх пунктирной линией. При К - 4,5 положение кормы, форма которой закруглена, становится критическим, потому что узкая ненесущая корма погружается в подо?ву волны и сопротивление значительно возрастает даже при неболь?ом увеличении скорости.
Нанесенная кривая показывает характер изменения сопротивления. Ее можно назвать кривой относительного сопротивления. Она представляет коэффициент мощности С характеризующий изменение сопротивления движущегося катера от самой малой до самой боль?ой скорости. Если бы сопротивление судна увеличивалось точно в квадрате скорости, а мощность возрастала в третьей степени скорости, то вместо кривой получилась бы горизонтальная прямая линия. В действительности же в районе умеренных скоростей, слева, появляется крутой подъем, показывающий значительно боль?ее увеличение мощности, чем «по закону третьей степени». Правее пика сопротивления прирост мощности становится мень?е и ли?ь при очень боль?ой скорости он почти точно соответствует начальному закону. С этой кривой следует сверять расчет необходимой мощности для увеличения скорости.
Если боль?ой туристский тихоходный катер, коэффициент скорости которого R = 3-r4, идет с экономической скоростью при неболь?ой мощности двигателя, то увеличивать скорость до R = 5 нецелесообразно. В противном случае катер окажется в режиме сильного волнообразования и будет иметь невыгодную скорость у боль?ого пика сопротивления. Поскольку кривая на этом участке поднимается круто, потребуется боль?ое увеличение мощности.
Если катер в районе пика все же идет со скоростью R = 5,25, но имеет форму, пригодную для удваивания скорости, то при R = 10,5 он достигнет значительно более благоприятного движения. Коэффициент мощности Ср понижается с 5,9 у пика сопротивления до 3,6. Для удвоения скорости «по закону» необходима восьмикратная мощность двигателя. Но поскольку здесь значение Ср существенно умень?илось, то вместо восьмикратной мощности потребуется ли?ь R-8 = 4,9 той мощности, которая была необходима при R = 5,25.
В том случае когда для обеспечения дальности плавания на экономичном ходу умень?ают скорость, катер на пике сопротивления при R = 5,25 находится в благоприятных условиях. С переходом на «половинную» скорость (R = 2,6), значение Ср умень?ится с 5,9 до 2,0! Если этой скорости по обычному расчету соответствует 1/8 первоначальной мощности, то из-за снижения Ср с 5,9 до 2,0 действительная потребная мощность составит ли?ь 1 2,0 первоначальной.
Универсальность кривой сопротивления позволяет использовать ее ?ире, чем показано вы?е. С помощью этой кривой можно:
1) рассчитать мощность катера для изменив?ейся скорости;
2) сравнить мощность сходных катеров различных размеров и скоростей;
3) приближенно рассчитать скорость катеров любого размера и с любой мощностью двигателя.
Формула, относящаяся к п. 1, воспроизведена в диаграмме. Она содержит следующие обозначения: pSa — известная мощность двигателя на гребном винте; pSx — полученная новая мощность двигателя; va — известная скорость; vx — полученная новая скорость; Сра — коэффициент известной скорости катера; Срх — коэффициент полученной скорости.
Для сравнения различных катеров необходимо знать их водоизмещение. Его значение вводится затем в формулы в степени 2/3. Поэтому к приведенным выражениям прибавляется еще третье, частное:
D2J3/Dl/3, где D — водоизмещение, м3.
?спользуя результаты ходовых испытаний катера длиной, например, 10 м для расчета скорости катера аналогичной формы, но других размерений, можно с помощью указанного выражения получить хоро?ее приближение, хотя такой расчет не будет абсолютно точным. Применяя кривую Ср и допуская упрощения, можно также рассчитать скорость катера или мощность двигателя с удовлетворительным приближением. Эти упрощенные расчеты производят по формулам:
мощность двигателя (в л. с.)
CpvW . Р°а~ 100г|р '
скорость (в м/с)
где Ср — коэффициент мощности из диаграммы; у\р — коэффициент полезного действия винта, необходимый для расчета мощности или скорости (в среднем равен 60%). Высокая скорость, связанная с умеренной частотой вращения, улуч?ает коэффициент полезного действия; он может повыситься до 75%. Пониженная скорость и высокая частота вращения, наоборот, ухуд?ают его (коэффициент полезного действия может понизиться до 45 или 40%).
Абсолютная величина и соотно?ение размерений катера также имеют значение. Малые катера, даже с хоро?ими обводами, из-за повы?енного трения всегда будут менее удачными, чем боль?ие катера. При одинаковой скорости один квадратный метр смоченной поверхности создает тем мень?ее трение, чем длиннее катер. Поэтому длинные катера всегда более ходки, чем короткие, независимо от качества их обводов. Влияние длины катера не очень велико; его можно оценить следующим образом: если катера длиной 10 и 20 м идут с одинаковой скоростью, то каждый квадратный метр смоченной поверхности боль?ого катера испытывает в среднем на 10% мень?ую силу трения, чем на мень?ем катере. В пересчете на общее сопротивление в этом примере сопротивление боль?ого катера примерно на 5% мень?е.
К сожалению, оказывает влияние еще один трудно учитываемый фактор — численно неопределимая величина, зависящая от качества обводов и соотно?ения длины, ?ирины и водоизмещения катера. Качество обводов определяется модельными испытаниями, и установить его другим путем невозможно. Ниже предлагается корректировка (в процентах) значения Ср различных катеров для приблизительного учета качества их обводов 29:
Очень неудачные малые ................ +60
Умеренно неудачные.................. +30
Довольно ?ирокие................... +20
Обычные средние.................... +0
Катера с достаточно хоро?ими обводами ........ —10
Легкие боль?ие с улуч?енными обводами........ —20
Чтобы получить эффективную мощность двигателя на выходном фланце, необходимо корректировать мощность pSa, полученную расчетом. Очень боль?ие установки имеют механический коэффициент полезного действия 95%. У обычных установок средней мощности (100 л. с. или более) луч?е учитывать от 8 до 10% потерь, а у малых установок — от 15 до 20% (при мощности от 5 до 10 л. с). Этот упрощенный расчет, естественно, не имеет твердой основы, потому что коэффициент полезного действия гребного винта и качество обводов катера можно оценить ли?ь приближенно. Кривая Ср, однако, получена с учетом реально существующих факторов последовательной обработкой результатов ходовых испытаний. Если удастся связать расчет с разумной оценкой качества обводов катера, то при помощи этого упрощенного метода будут достигнуты вполне удовлетворительные результаты.
