Каким должен быть киль у яхты?

Кили современных парусных яхт проектируют на основании достижений гидро – и аэродииамики крыла конечиого размаха. Обычно отношение толщины поперечного сечеиия киля к eгo хорде принимается не более 10%. Это оправдано особенностями обтекания профилей на реальных скоростях движення яхт, которые характеризуются числом Рейнольдса:

где  v –  скорость хода, м/с;  b –  хорда профиля киля, м;  \/  -  коэффициент кинематической вязкостн.

О влиянии толщнны профиля на величииу максимальной подъемной силы, развиваемой килем, можно судить по графику, представленному на рис. 1 [2, 4]. Значения         чисел Рейнольдса для киля при средней скорости яхты в расчете на 1 м хорды лежат в пределах Re = 104 -:- 106.  При таких режимах обтекания оптимальны профили с относительной толщиной  t / b в пределах 10 – 12%. Однако окончательный выбор профиля киля определяется величиной гидромеханичеcкoгo качества:

(отношение подъемной силы Y к сопротивлению Х) и гидродинамическим моментом, который создается на профиле относительно eгo передней кромки. Этот момент фактически определяет положение центра бокового сопротивления яхты относительно миделя.

Кроме выбора профиля, дизайнер яхты должен выбрать форму киля в плане. При этом следует исходить из положений теории равномернoгo установившегося движения или учитывать некоторые хорошо нзученные в настоящее время элементы нестационарного обтекання киля при килевой и бортовой качке в зоне активного воздействия внутриволнового течеиня. На спокойной воде наиболее эффективны кили с максимальным гидродинамическим удлинением:

где l –  высота киля от eгo подошвы до днища корпуса;  S –  площадь киля. Такие кили обладают минимальным индуктивным сопротивлением, однако при чрезмерном их удлинении у яхты возникает дополнительное сопротивление в процессе качки от изменения углов атаки по длине. Особенно ярко такое сопротивление проявляется на яхтах с узкими глубокими килями (например, типа «Конpaд – 24»)  на курсах галфвинд – бакштаг, когда избавиться от бортовой качки невозможно.

Характер обтекания стреловидногo киля – имеющего наклон средней линии в корму, в условиях качки показан на рис. 2. При килевой качке eгo стреловидность изменяется периодически в пределах до +100 от стреловидности при спокойной воде. Соответственно происходит искривление линий тока (рис. 2, а), изменение скорости потока в зависимости от угловых скоростей, возникающих при бортовой качке (рис. 2, б), и изменение угла атаки на киле с учетом скоростей, вызванных качкой (рис. 2,в). Искривление линий тока относительно хорды киля (линии 0,1, 2, 3, 4 на рис, 2, а) вызвано ускорением и замедлением скорости обтекания профиля.

Как видим, обтекание киля со стреловидной передней кромкой имеет особенности, которые необходимо учитывать при проектировании или доработке установленного на яхте киля. Прежде вceгo следует помнить, что подъемную силу на стреловидном киле создает только составляющая скорости обтекания, перпендикулярная линии стреловидности (Wn на рис, 2, б), а тангенциальная составляющая (Wt) влияет лишь на изменение условий обтекания киля в пограничном слое. Эта составляющая может способствовать возникновению зон отрыва течения на киле (А и В).

Наличие зон определяется зависимостью удлинения киля от стpеловидности (рис. З). При неудачно выбранном соотношении удлинения и стреловидности в процессе бортовой или килевой качки на киле мoгут возникать зоны срыва потока с конца киля или у eго основания. На некоторых яхтах срыв потока можно обнаружить по вибрации руля при определенной скорости хода и крене судна.

Киль яхты работает не как изолированное крыло, а во взаимодействии с корпусом яхты. Поток воды, обтекающий корпус, встречается с потоками, обтекающими киль в зоне eгo соединения с корпусом. Это требует определенного внимания к оформлению сопряжения киля с корпусом яхты. На рис. 4 приведены кили хорошо известных типов яхт и киль, рекомендуемый для четвертьтонника.

При малых углах дрейфа яхты на спокойной воде плавные переходы очертаний киля в корпус (“зализы”) необязательны. Однако при появлении качки и скольжении яхты с волны при ходе к ней лагом отсутствие таких переходов сказывается. Наличие “зализов” предотвращает развитие срыва потока у корня киля (зона А на рис. 2).

Если киль имеет стреловидность, эффективность eгo участка вблизи корпуса в создании силы бокового сопротивления дрейфу можно повысить. Для этого верхнюю часть киля следует выполнить с меньшей стреловидностью, переходящей в “зализы” (рис. 4,г). При уменьшении стреловидности та же площадь киля создаст большую подъемную силу.

Стреловидность киля в общем случае способствует повышению гидродинамического качества. При крене, когда угол атаки киля уменьшается (см. рис. 2,в) стреловидность благоприятствует защите от отрыва потока на киле. Иными словами, максимальная подъемная сила у стреловидного киля достигается при значительно больших критических углах атаки, чем у прямого киля. Однако сама величина максимальной подъемной силы оказывается меньше (рнс, 5), Для достижения такой же подъемной силы стреловидный киль должен иметь большую площадь, чем прямой киль, при одинаковых углах дрейфа.

Таким образом, при выборе формы яхтенного киля в плане требуется учитывать ряд особенностей eгo гидродинамики. Какой киль можно считать оптимальным для мнoгoцeлeвой морской крейсерской яхты? В условиях штилевых гонoк, например, на Кубок Черного моря, хорошо себя зарекомендовали кили с малой стреловидностью, установленные экипажами при модернизации «Таурусов».  При кaчкe и крене узкие и глубокие кили неэффективны. Это хорошо известно капитанам яхт, которые при сильной качке стремятся уменьшить крен или изменить курс яхты относительно волны.

Неплохие гидродинамические качества как в слабый ветер, так и в волну имеют традиционные кили старых яхт, например «Фолькбота»  или  «Конрада – 45». Обводы таких килей органически сочетаются с обводами корпуса яхты, их гидродинамика отличается от рассмотренной выше для современных плавниковых килей. При всех недостатках такие кили хороши на волнении: они обладают способностью создавать так называемую “подсасывающую силу”, которая уменьшает сопротивление киля при качке. Кроме тoгo, такие кили имеют больший продольный момент инерции и при плавании на коротком волнении способствуют уменьшению продольной качки.

Киль, обводы котopoгo приведены на рис, 6, является компромиссным решением вопроса. Верхняя часть киля (1) имеет увеличенную площадь, благодаря чему подъемная сила у eгo корня повышается. Благодаря плавному сопряжению киля с корпусом нет срыва потока у передней кромки. Большая длина основания киля позволяет обеспечить продольный момент инерции достаточной величины. Стреловидность 730 и притупленная передняя кромка положительно влияют на развитие подсасывающей силы.

Средняя часть киля (II) – основная несущая часть в создании силы бокового сопротивления. От воздействия косых потоков, сбегающих с корпуса яхты при крене, она защищена вихрем, образующимся по наклониой кромке (стреловидность 730), а от влияния конечности размах – вихрем, образующимся на изломе между II и III частями киля. III часть киля – бульб, играет роль концевой шайбы, увеличивающей эффективное гидродинамическое удлинение.

Исследование нестационарного обтекания тaкогo киля, возникающего при килевой или бортовой качке, показало, что этот профиль обладает ценным свойством быстрейшего восстановления потерянной подъемной силы до ее значения прн стационарном обтекании. Компоновка таких килей требует специальных исследований в натурных условия. Киль с двойной стреловидностью, описанный в статье, был установлен  на яхте четвертьтонного класса «Гелиос» (постройки Таллинской экспериментальной верфи спортивного судостроения).  Яхта участвовала в гонках на Малый кубок Черного моря 1982 г, и показала хорошие ходовые качества, особенно в сильный ветер и на волне. Яхта с такими килем и стандартными парусами ходит существенно круче к ветру, чем яхта с серийным килем.

 

В план работы группы студенчеcкoгo конструктopcкoгo бюро “Вираж” Киевского института инженеров гражданской авиации (КИИГА) включено проведенне испытаний различных типов килей на легкой яхте типа   “Конрад-20″. Среди них и “универсальный” киль (рис. 7) с частью II, gоворотноq относительно центра О или втягивающейся в основной киль. Схема предусматривает возможность преобразования киля в профиль с затупленной задней кромкой и турбулизатором при сочетании профилей. Гидродинамика киля, составленного из сочетающихся профилей (как в плане, так и в поперечных сечениях), требует доскональных исследований. Здесь есть над чем подумать изобретателям – яхтсменам.

 

Е. Ударцев.

 

Рекомендуемая и использованная литература:

 

1. «Катера и яхты», 1980, N23(85).

 

2. Мартынов А. И. Прикладная аэродинамика. М., «Машиностроение», 1976.

 

3, Михайлов В. Н,  Ткачук Г. И. Влияние шероховатости корпуса судна на сопротивление воды. Л., «Судостроение», 1971.

 

4. Трещевский В. Н., Волков Л. О., Коробкин А. И.  Аэродинамический эксперимент в судостроении. Л., Судостроение, 1976.

Источник:  «Катера и яхты», №103.

Оставить комментарий

Комментарии: 0