Bulwiasty łuk
Bulwiasty dziób to wystająca bańka na dziobie (lub z przodu) statku tuż poniżej linii wodnej . Żarówka modyfikuje sposób, w jaki woda przepływa wokół kadłuba , zmniejszając opór , a tym samym zwiększając prędkość, zasięg, oszczędność paliwa i stabilność. Duże statki z bulwiastymi dziobami generalnie mają od dwunastu do piętnastu procent lepszą oszczędność paliwa niż podobne statki bez nich. Bulwiasty dziób zwiększa również pływalność części dziobowej, a tym samym w niewielkim stopniu zmniejsza kołysanie statku.
Statki o dużej energii kinetycznej , która jest proporcjonalna do masy i kwadratu prędkości, korzystają z bulwiastego dziobu zaprojektowanego do ich prędkości operacyjnej; obejmuje to statki o dużej masie (np. supertankowce ) lub dużej prędkości eksploatacyjnej (np. statki pasażerskie i towarowe ). Statki o mniejszej masie (poniżej 4000 dwt ) i te, które działają z mniejszą prędkością (poniżej 12 kts ) mają mniejsze korzyści z bulwiastych dziobów z powodu wirów , które występują w tych przypadkach; przykłady obejmują holowniki, łodzie motorowe, żaglowce i małe jachty.
Stwierdzono, że łuki bulwiaste są najbardziej skuteczne, gdy są używane na statkach spełniających następujące warunki:
- Długość linii wodnej jest dłuższa niż około 15 metrów (49 stóp).
- Konstrukcja żarówki jest zoptymalizowana pod kątem prędkości roboczej łodzi.
Podstawowa zasada
- Profil łuku z żarówką
- Profil łuku bez żarówki
- Fala stworzona przez żarówkę
- Fala stworzona przez konwencjonalny łuk
- Linia wodna i region odwołanych fal
Efekt łuku bulwiastego można wyjaśnić za pomocą koncepcji destrukcyjnej interferencji fal:
Konwencjonalny kształt łuku powoduje powstanie fali łuku . Sama bańka zmusza wodę do przepływu w górę i nad nią, tworząc koryto. Tak więc, jeśli bańka zostanie dodana do konwencjonalnego dziobu we właściwym miejscu, koryto gruszki pokrywa się z grzbietem fali dziobowej, a oba znoszą się, zmniejszając kilwater statku . Podczas gdy wywołanie kolejnego strumienia fal wysysa energię ze statku, anulowanie drugiego strumienia fal na dziobie zmienia rozkład ciśnienia wzdłuż kadłuba, zmniejszając w ten sposób opór fal. Wpływ rozkładu nacisku na powierzchnię jest znany jako efekt formy .
Ostry dziób na konwencjonalnym kształcie kadłuba wytwarzałby fale i niski opór, jak bulwiasty dziób, ale fale dochodzące z boku uderzałyby w niego mocniej. Tępy bulwiasty dziób wytwarza również wyższe ciśnienie w dużym obszarze z przodu, dzięki czemu fala dziobowa zaczyna się wcześniej.
Dodanie bańki do kadłuba statku zwiększa jego ogólną powierzchnię zwilżoną. Wraz ze wzrostem zwilżonego obszaru zwiększa się opór. Przy większych prędkościach iw większych statkach to właśnie fala dziobowa jest największą siłą utrudniającą poruszanie się statku do przodu po wodzie. W przypadku statku, który jest mały lub spędza dużo czasu na małej prędkości, wzrost oporu nie zostanie zrekompensowany korzyścią wynikającą z tłumienia generowania fali dziobowej. Ponieważ efekty licznika fal są znaczące tylko przy wyższym zakresie prędkości statku, bulwiaste dzioby nie są energooszczędne, gdy statek pływa poza tymi zakresami, szczególnie przy niższych prędkościach.
Łuki bulwiaste mogą być konfigurowane w różny sposób, w zależności od zaprojektowanej interakcji między falą dziobową a falą przeciwną z bańki. Parametry projektowe obejmują:
- a) krzywizna w górę (żarówka „ramkowa”) w porównaniu z krzywizną do przodu (żarówka „faired”),
- b) położenie bańki w stosunku do linii wodnej, oraz
- c) objętość bańki.
kołysanie statku , gdy są balastowane, poprzez zwiększenie masy w odległości oddalonej od wzdłużnego środka ciężkości statku.
Rozwój
_on_building_ways,_1925.jpg)
Testy holowania okrętów wojennych wykazały, że kształt taranu podwodnego zmniejszał opór wody przed 1900 rokiem. Koncepcję bulwiastego dziobu przypisuje się Davidowi W. Taylorowi , architektowi marynarki wojennej, który służył jako główny konstruktor Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych podczas I wojny światowej War i który wykorzystał tę koncepcję (znaną jako bulwiasta przednia część stopy) w swoim projekcie USS Delaware , który wszedł do służby w 1910 roku. Projekt dziobu początkowo nie cieszył się szeroką akceptacją, chociaż był używany z wielkim sukcesem w krążowniku liniowym klasy Lexington po tym, jak dwa okręty tej klasy, które przetrwały Traktat Waszyngtoński, zostały przekształcone w lotniskowce . Ten brak akceptacji zmienił się w latach dwudziestych XX wieku wraz z uruchomieniem przez Niemcy Bremy i Europy . Nazywano je niemieckimi chartami północnoatlantyckimi, dwoma dużymi komercyjnymi liniowcami oceanicznymi , które rywalizowały o transatlantycki handel pasażerski. Oba statki zdobyły upragnioną Błękitną Wstęgę , Brema w 1929 roku z prędkością przekraczania 27,9 węzłów (51,7 km / h; 32,1 mil / h), a Europa przewyższała ją w 1930 roku z prędkością przekraczania 27,91 węzłów.
Projekt zaczął być włączany gdzie indziej, jak widać na zbudowanych w USA liniowcach pasażerskich SS Malolo , SS President Hoover i SS President Coolidge, zwodowanych pod koniec lat dwudziestych i wczesnych trzydziestych XX wieku. Mimo to pomysł był postrzegany jako eksperymentalny przez wielu stoczniowców i właścicieli.
Władimir Jurkiewicz zaprojektował francuską superliner Normandie , łącząc bulwiastą przednią część stopy z masywnymi rozmiarami i przeprojektowanym kształtem kadłuba. Była w stanie osiągnąć prędkość przekraczającą 30 węzłów (56 km/h). Normandie słynęła z wielu rzeczy, w tym z czystego wejścia do wody i wyraźnie zmniejszonej fali dziobowej. Wielki rywal Normandie , brytyjski liniowiec Queen Mary , osiągał równoważne prędkości przy użyciu tradycyjnej konstrukcji dziobnicy i kadłuba . Jednak zasadnicza różnica polegała na tym, że Normandie osiągał te prędkości przy około trzydziestu procentach mniejszej mocy silnika niż Queen Mary i odpowiednim zmniejszeniu zużycia paliwa. [ potrzebne źródło ]
Bulwiaste projekty łuków zostały również opracowane i używane przez Cesarską Marynarkę Wojenną Japonii . Skromny bulwiasty dziób był używany w wielu projektach ich statków, w tym w lekkim krążowniku Ōyodo oraz lotniskowcach Shōkaku i Taihō . Znacznie bardziej radykalne rozwiązanie w postaci bulwiastego dziobu zostało zastosowane w ich ogromnych pancernikach klasy Yamato , w tym Yamato , Musashi i lotniskowcu Shinano .
Nowoczesny bulwiasty łuk został opracowany przez dr Takao Inui z Uniwersytetu Tokijskiego w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku, niezależnie od badań japońskiej marynarki wojennej. Inui oparł swoje badania na wcześniejszych odkryciach naukowców dokonanych po tym, jak Taylor odkrył, że statki wyposażone w bulwiastą przednią część stopy wykazywały znacznie niższy opór niż przewidywano. Koncepcja łuku bulwiastego została po raz pierwszy ostatecznie zbadana przez Thomasa Havelocka, Cyrila Wigleya i Georga Weinbluma, w tym pracę Wigleya z 1936 r. „Teoria łuku bulwiastego i jej praktyczne zastosowanie”, w której zbadano kwestie wytwarzania i tłumienia fal. Wstępne prace naukowe Inui na temat wpływu łuku bulwiastego na opór wytwarzania fal zostały zebrane w raporcie opublikowanym przez University of Michigan w 1960 r. Jego praca zwróciła powszechną uwagę wraz z artykułem „Wavemaking Resistance of Ships” opublikowanym przez Society of Naval Architects and Marine Engineers w 1962 roku. Ostatecznie stwierdzono, że opór można zmniejszyć o około pięć procent. Eksperymenty i udoskonalenia powoli poprawiały geometrię bulwiastych łuków, ale nie były one szeroko wykorzystywane, dopóki techniki modelowania komputerowego nie umożliwiły naukowcom z University of British Columbia zwiększenia ich wydajności do poziomu praktycznego w latach 80. [ potrzebne źródło ]
Rozważania projektowe
Łuki bulwiaste mają następujące charakterystyczne cechy:
- Kształt wzdłużny
- Przekrój
- Długość projekcji do przodu
- Położenie osi kształtu (np. do przodu lub do góry)
Podczas gdy głównym celem takich żarówek jest zmniejszenie mocy wymaganej do napędzania statku z jego prędkością roboczą, ważne są również ich właściwości morskie. Charakterystyka falowania statku przy jego prędkości operacyjnej jest odzwierciedlona w jego liczbie Froude'a . Projektant statku może porównać długość na linii wodnej dla projektu z żarówką i bez żarówki niezbędnej do napędzania statku przy jego prędkości roboczej. Im wyższa prędkość, tym większa korzyść z bulwiastego dziobu w zmniejszeniu konieczności stosowania dłuższej linii wodnej w celu osiągnięcia tego samego zapotrzebowania na moc. Żarówki mają zwykle kształt litery V na dnie, aby zminimalizować trzaskanie na wzburzonym morzu.
Kopuły sonarowe
Niektóre okręty wojenne wyspecjalizowane w walce z okrętami podwodnymi używają specjalnie ukształtowanej żarówki jako hydrodynamicznej obudowy przetwornika sonaru , która przypomina bulwiasty dziób, ale efekty hydrodynamiczne są tylko przypadkowe. Przetwornik to duży cylinder lub kula złożona z fazowego układu przetworników akustycznych . Cała komora jest zalana wodą, a okienko akustyczne żarówki jest wykonane z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem lub innego materiału (takiego jak guma ) przepuszczającego dźwięki podwodne podczas ich przesyłania i odbierania. Żarówka przetwornika umieszcza wyposażenie sonaru w największej możliwej odległości od własnego, generującego hałas układu napędowego statku.