Nave Mici - Curs - Dan Obreja

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

CUPRINS 1. TIPURI DE NAVE MICI. PRINCIPII CONSTRUCTIVE I FUNC IONALE............3 1.1. Clasificarea navelor mici......................................................................................3 1.1.1. Natura for elor de sustenta ie.................................................................3 1.1.2. Stabilirea regimului de naviga ie............................................................5 1.2. Nave în regim de deplasament............................................................................10 1.2.1. Nave propulsate cu motoare.................................................................10 1.2.1.1. Caracteristici constructive.....................................................10 1.2.1.2. Tendin a actual i perspectivele proiect rii navelor de transport de mare vitez ......................................14 1.2.2. Veliere...................................................................................................22 1.2.2.1. Clasificarea velierelor............................................................22 1.2.2.2. Iahturi.....................................................................................23 1.2.2.3. B rci cu derivor......................................................................26 1.2.2.4. Veliere multicorp...................................................................29 1.3. Nave în regim de sustenta ie................................................................................35 1.3.1. Nave glisoare.........................................................................................35 1.3.1.1. Formarea for elor hidrodinamice pe placa plan ....................35 1.3.1.2. Ecua iile de echilibru ale navei glisoare.................................40 1.3.1.3. Formele optime ale navelor glisoare.......................................46 1.3.2. Nave pe aripi portante...........................................................................51 1.3.2.1. Particularit ile hidrodinamice ale aripilor portante..............51 1.3.2.2. Cavita ia aripilor portante......................................................62 1.3.2.3. Ecua iile de echilibru ale navei pe aripi portante...................65 1.3.2.4. Particularit ile constructive ale aripilor portante..................67 1.3.3. Nave pe pern de aer.............................................................................73 1.3.3.1. Particularit ile constructive ale navelor pe pern de aer.......73 1.3.3.2. Sustenta ia cu camer de aer..................................................77 1.3.3.3. Sustenta ia cu jet periferic......................................................80 1.3.3.4. Ecua iile de form ale structurilor flexibile............................87 1.3.3.5. Extinderea conceptelor specifice navelor pe pern de aer, la transportul pe distan e mari..........................................91 1.3.4. Ecranoplane............................................................................................95 2. DETERMINAREA DIMENSIUNILOR PRINCIPALE I A DEPLASAMENTULUI NAVELOR MICI.......................................................................100 2.1. Nave mici, în regim de deplasament....................................................................100 2.2. Nave glisoare........................................................................................................106 2.3. Nave pe aripi portante..........................................................................................106 2.4. Nave pe pern de aer, amfibii...............................................................................111 2.5. Nave cu efect de suprafa ....................................................................................113

1

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

3. DETERMINAREA REZISTEN EI LA ÎNAINTARE I A PUTERII DE PROPULSIE A NAVELOR MICI......................................................................................119 3.1. Nave mici, în regim de deplasament i în regim tranzitoriu.................................119 3.2. Rezisten a la înaintare a glisoarelor.......................................................................136 3.3. Rezisten a la înaintare a navelor pe aripi portante................................................141 3.4. Particularit ile calculului rezisten ei la înaintare a navelor pe pern de aer. Puterea total a instala iei energetice.........................................................145 4. PROPULSOARE.................................................................................................................150 4.1. Particularit ile hidrodinamice ale elicelor navelor mici......................................150 4.2. Alegerea num rului de pale i a raportului de disc...............................................153 4.3. Alegerea num rului de elice, a sensului de rota ie i a amplas rii în raport cu corpul navei............................................................................................157 4.4. Sisteme de transmitere a puterii la propulsor........................................................158 4.5. Propulsoare cu jet..................................................................................................162 5. MANEVRABILITATEA NAVELOR MICI.......................................................................169 5.1. Particularit ile hidrodinamice ale cârmelor navelor mici.....................................169 5.2. Caracteristicile hidrodinamice ale corpului navei..................................................182 5.3. Gira ia navei............................................................................................................187 5.4. Stabilitatea deplas rii navei pe drum drept............................................................192 5.5. For ele i momentele hidrodinamice care ac ioneaz asupra cârmei......................194 6. COMPORTAREA PE VALURI A NAVELOR MICI.........................................................199 6.1. Considera ii generale...............................................................................................199 6.2. Particularit ile comport rii pe valuri a navelor mici.............................................200 6.2.1. Nave multicorp de mare vitez ................................................................200 6.2.2. Nave glisoare............................................................................................202 6.2.3. Nave pe aripi portante..............................................................................202 6.2.4. Nave pe pern de aer................................................................................203

2

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1. TIPURI DE NAVE MICI. PRINCIPII CONSTRUCTIVE I FUNC IONALE 1.1. Clasificarea navelor mici 1.1.1. Natura for elor de sustenta ie Navele mici se deosebesc de navele mari, clasice, prin dimensiuni principale mai reduse, destina ii diverse, comportare diferit în timpul naviga iei i raz de ac iune mai mic . În general, se consider c navele mici, fluviale sau maritime, au lungimi maxime de 60 m. În unele ri intr în aceast categorie navele cu lungimi de pân la 90 m [1]. Navele cu lungimea maxim cuprins între 30 … 40 m constituie partea cea mai important a flotei mondiale de nave mici, de mare vitez , care cuprinde atât monocorpuri, cât i catamarane. Cercet ri recente [2] demonstreaz c i navele trimaran pot deveni o solu ie promi toare pentru transportul maritim de mare vitez . Proprietatea unui corp de a se men ine la un anumit nivel în masa unui fluid, prin mijloace adecvate, se nume te sustenta ie. Natura for elor de sustenta ie determin regimul de naviga ie caracteristic navelor mici i tipurile principale de nave mici. Echilibrul unei nave de deplasament este determinat de interac iunea for ei de greutate cu for a de împingere, de natur hidrostatic , care se manifest pe zonele imerse ale corpului. Al turi de for ele hidrostatice se mai cunosc urm toarele categorii de for e de sustenta ie care ac ioneaz asupra corpului navei: for e hidrodinamice, for e aerostatice i for e aerodinamice [3]. For ele hidrodinamice de sustenta ie cresc pe m sura cre terii vitezei navei i conduc la ie irea treptat a corpului din ap i la reducerea ariei suprafe ei udate. Regimul de deplasare în care sustenta ia navei este determinat , în principal, de for ele hidrodinamice se nume te regim de glisare. Principalele tipuri de nave care opereaz în regim de glisare sunt: navele glisoare i navele pe aripi portante. În cazul navelor glisoare, for ele hidrodinamice de sustenta ie se manifest direct pe corpul navei, care are o form special . La navele pe aripi portante, for ele hidrodinamice ac ioneaz pe aripile portante imerse. În principiu, este posibil realizarea unor nave dup o schem combinat de sustenta ie, care s permit existen a for elor hidrodinamice de sustenta ie al turi de cele hidrostatice datorate existen ei unor gondole cu volum considerabil. For ele aerostatice de sustenta ie se folosesc la navele pe pern de aer. Sustenta ia acestor nave se realizeaz pe seama presiunii ridicate din zona închis a pernei de aer. -3-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

La navele amfibii, sustenta ia se produce numai pe seama for elor aerostatice. Navele pe pern de aer cu pere i laterali, rigizi, sunt nave cu principiu combinat de sustenta ie. Zona pernei de aer este limitat la prova i pupa de o fust elastic . Pe pere ii laterali rigizi apar for e de natur hidrostatic i hidrodinamic , care se adaug for elor aerostatice din perna de aer. Aceste nave se mai numesc i nave cu efect de suprafa (SES). For ele aerodinamice de sustenta ie se formeaz pe elementele portante aeriene i pe aripi. Aparatele care folosesc numai for ele aerodinamice pentru sustenta ie sunt hidroavioanele i ecranoplanele. Primele se deplaseaz la distan mare de suprafa a apei i sunt înzestrate cu dispozitive de amerizare care înlocuiesc trenul de aterizare i îi permit s pluteasc pe ap . Ecranoplanele sunt aparate zbur toare care realizeaz efectul suprafe ei de sprijin, deplasânduse la o în ime mic fa de suprafa a apei. Ele se mai numesc i nave de concept WIG . În mod evident, în faza de ie ire din ap corpul ecranoplanului se afl într-un regim tranzitoriu de glisare, caracterizat prin existen a for elor hidrodinamice de sustenta ie de pe aripa portant hidrodinamic , al turi de for ele aerodinamice de sustenta ie. În fig.1.1 sunt prezentate schematic tipurile principale de nave mici, împreun cu for ele de sustenta ie caracteristice. Liniile întrerupte definesc for ele secundare de sustenta ie, de natur hidrostatic (for ele de împingere) care particip la schemele combinate de sustenta ie, al turi de for ele principale hidrodinamice sau aerostatice. Destina ia navelor mici este extrem de divers . Navele mici pot fi utilizate ca ambarca iuni de agrement sau turism, ambarca iuni sportive pentru concursuri de vitez , ambarca iuni de salvare, ambarca iuni de serviciu aflate în dotarea administra iilor portuare, nave de patrulare, nave de interven ie, nave de transport maritim rapid în ariile costale aglomerate etc. Din punctul de vedere al asigur rii propulsiei, navele mici pot fi: nave cu motor, nave cu vele i nave mixte (cu vele i motor). Motorul de propulsie poate fi situat în interiorul corpului, sau poate fi montat în afara bordului (amovibil). Cele mai folosite tipuri de propulsoare sunt: elicea hidraulic , propulsorul cu jet i elicea aerian . Transmisia de la motorul fix la elicea hidraulic poate fi direct , unghiular sau în form de Z.

-4-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

FOR E DE SUSTENTA IE

Nave în regim de deplasament

Nave pe pern de aer

Hidroavioane

Aerodinamice

Ecranoplane

Nave pe aripi portante

Nave în regim de glisare

Nave amfibii

Aerostatice

Nave cu efect de suprafa (SES)

Hidrodinamice

Nave glisoare

Veliere

Nave propulsate cu motoare

Hidrostatice

Nave WIG

Fig.1.1 Tipurile principale de nave mici i for ele de sustenta ie caracteristice

1.1.2. Stabilirea regimului de naviga ie O prim etap important a proiect rii navelor cu motor o constituie stabilirea regimului de naviga ie, de care depinde, în prim aproxima ie, adoptarea unor m rimi fizice esen iale, cum ar fi: dimensiunile principale, deplasamentul, viteza impus , rezisten a la înaintare i puterea instalat . Regimul de naviga ie poate fi apreciat în func ie de valoarea num rului Froude, Fn , definit cu rela ia: Fn

v g

1/ 3

(1.1)

în care v este viteza navei în [m/s], este deplasamentul volumetric în [m3], iar g este accelera ia gravita ional în [m/s2]. Dac Fn 1 , nava se afl în regim de deplasament. Dac Fn 3 , nava se afl în regim de glisare.

-5-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Pentru 1 Fn 3 , nava se afl în regim de tranzi ie, caracterizat printr-o anumit modificare a pescajului i asietei navei. Rezisten a la înaintare depinde de regimul deplas rii navei. O tr tur caracteristic important a navelor mici aflate în regim de deplasament o constituie rezisten a la înaintare specific (rezisten a la înaintare pe tona de deplasament) care este mult mai mare, în compara ie cu aceea a navelor comerciale clasice. În practica proiect rii navelor mici, pentru determinarea regimului de naviga ie se folose te num rul Taylor, Tn , definit cu rela ia: v LWL

Tn

(1.2)

în care v este viteza navei în [km/h], iar LWL este lungimea navei la plutire, în [m]. Cu ajutorul diagramei lui Böhme, prezentat în fig.1.2, se poate stabili regimul de naviga ie în func ie de num rul Taylor. Dac Tn 5,56 , nava se afl în regim de deplasament. Dac Tn 11,65 , nava se afl în regim de glisare. Dac 5,56 Tn 10 , nava cu forme rotunde se afl în regim de tranzi ie, iar dac 10 Tn 11,65 atunci nava cu forme ascu ite se caracterizeaz prin începerea glis rii. v [km/h]

80 70 60 50

Nave mici glisoare cu sau fara redan 5 .6 =11 L LW v/

L v/ L W

v/ L WL

40

=10

=5.56

30 20 Nave mici de deplasament

10 0

4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 50 LWL[m]

Fig.1.2 Diagrama lui Böhme Rezisten a la înaintare a navelor mici depinde de formele corpului. Rezultatele testelor experimentale efectuate pe modele cu forme rotunde (U) i cu forme ascu ite (V) sugereaz faptul c pân la o valoare a num rului Taylor apropiat de 12, carenele cu forme rotunde prezint o rezisten la înaintare mai mic decât carenele cu forme ascu ite (fig.1.3). Peste aceast valoare a num rului Taylor formele ascu ite devin mai economice. În practic , se poate folosi i diagrama din fig.1.4 pentru alegerea tipului de forme (U sau V) în func ie de viteza i lungimea navei. Diagrama se refer -6-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

strict la carenele de tip U i V din figurile 1.5 i respectiv 1.6, a c ror rezisten la înaintare a fost determinat pe modele experimentale i prezentat în fig.1.3.

10 Rezistenta mediului [daN]

5.33

Forme U Forme V

4.31

8 3.23

6

2.15

4 2

5.5 6

7

8

9

10

11

12

13

14

v LWL

Fig.1.3 Dependen a rezisten ei la înaintare de formele carenei, de num rul Taylor i de raportul / 0,1 LWL 3 2,15...5,33

Fig.1.4 Alegerea tipului de forme

-7-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

16 15 14 13 12

11 10 9

0

8

1

7

2 3 4 5 6

Fig.1.5 Carena cu forme rotunde (U)

10

9 1/2 9

8 7

6

5

0 1 2 3 4 I

II

III

Fig.1.6 Carena cu forme ascu ite (V) Navele mici se caracterizeaz prin dimensiuni principale, rapoarte între dimensiuni i coeficien i de fine e care difer semnificativ fa de m rimile similare specifice navelor clasice. În tabelul 1.1 sunt furnizate valorile caracteristice ale rapoartelor între dimensiuni (LWL/B, B/T) i ale coeficien ilor de fine e, pentru câteva tipuri de nave mici. -8-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

S-au folosit nota iile standard: B – l imea navei, T – pescajul navei, CB – coeficientul de fine e bloc, CW – coeficientul de fine e al suprafe ei plutirii, CM – coeficientul de fine e al sec iunii maestre imerse i CP – coeficientul de fine e prismatic longitudinal. Tipul navei Iahturi pentru naviga ie interioar Iahturi maritime Nave mici de deplasament, deschise, pentru naviga ie interioar Nave mici de deplasament, cu cabine, pentru naviga ie interioar Nave mici de deplasament maritime, cu cabine Ambarca iuni glisoare deschise, pentru naviga ie interioar Nave mici glisoare cu cabine, pentru naviga ie interioar Nave mici glisoare cu cabine, maritime

CB

CW

CM

CP

LWL B

B T

2,2-4,0 2,2-3,6

4,0-5,0 2,5-3,03

0,31-0,36 0,72-0,78 0,59-0,64 0,52-0,56 0,30-0,34 0,62-0,70 0,52-0,57 0,55-0,61

3,6-5,1

5-5,88

0,40-0,45 0,61-0,76 0,68-0,75 0,66-0,70

4,17-6,67 0,40-0,49 0,74-0,79 0,68-0,76 0,60-0,69 3,3-4,3

3,3-4,4

3,23-5,88 0,35-0,46 0,73-0,78 0,63-0,74 0,56-0,68

2,8-3,5

7,14-8,33 0,49-0,53 0,73-0,79 0,70-0,78 0,63-0,73

3,0-3,5

6,45-8,33 0,49-0,53 0,75-0,80 0,72-0,85 0,70-0,75

2,7-3,2

5,88-6,67 0,38-0,48 0,74-0,79 0,60-0,71 0,68-0,72

Tabelul 1.1 Valori caracteristice pentru rapoarte între dimensiuni i coeficien i de fine e O alt caracteristic important a navelor mici o constituie comportarea diferit pe valuri, fa de aceea a navelor clasice. Navele mici execut mi ri de ruliu i de tangaj cu perioade mici de oscila ie (mi ri dure). La naviga ia pe valuri, primesc ocuri puternice, care se transmit asupra întregului corp. Din aceste motive, analiza calit ilor de seakeeping constituie o etap important a proiect rii navelor mici, cu efecte directe asupra st rii de confort a echipajului i pasagerilor. În continuare, vor fi analizate principiile constructive i func ionale precum i tendin ele actuale legate de evolu ia principalelor tipuri de nave prezentate în capitolul introductiv.

-9-

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1.2. Nave în regim de deplasament 1.2.1. Nave propulsate cu motoare 1.2.1.1. Caracteristici constructive Navele mici propulsate cu motoare sunt de o mare diversitate constructiv . Din aceast categorie fac parte: b rci cu motor cu lungimi de pân la 5 m, alupe cu lungimi cuprinse între 5 … 8m, dar i nave de patrulare i de interven ie sau nave de transport maritim rapid, de tip feribot, cu lungimi de 40 … 50m, care opereaz în zone costale aglomerate. În mod obi nuit, la proiectarea navelor mici, lungimea la plutire rezult din condi ii de func ionalitate, amplasându-se pe corpul navei toate compartimentele care asigur îndeplinirea condi iilor impuse prin destina ia navei. Astfel, se stabilesc lungimile picurilor prova i pupa, lungimea cabinelor, lungimea salonului, lungimea compartimentului de ma ini i a tancurilor de combustibil etc. Prin însumarea tuturor lungimilor necesare se ob ine lungimea total minim . O informa ie preliminar legat de l imea navei este furnizat prin intermediul diagramei din fig. 1.7, în func ie de viteza navei i de volumul carenei. Astfel, în zona A toate navele vor avea o l ime mic indiferent de volumul carenei navei. În zona B-stânga, caracteristic deplasamentelor foarte mici, navele vor avea l imi mici, iar în zona B-dreapta l imile mari devin mai avantajoase pentru deplasamente mai mari. În zonele C i D, specifice vitezelor mari, l imea navei nu mai constituie un parametru restrictiv.

Fig.1.7 Alegerea l imii navelor mici - 10 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Dup cum s-a putut observa din tabelul 1.1, rapoartele între dimensiuni LWL/B i B/T pot varia între limite destul de largi, în func ie de destina ia navei. Cu cât raportul LWL/B este mai mare, cu atât nava va fi mai rapid . Viteza navei este influen at i de deplasamentul volumetric relativ, definit prin raportul 3 / 0,1 LWL . Aceast dependen se poate observa în fig.1.3. Raportul B/T influen eaz stabilitatea transversal , stabilitatea de drum i viteza navei. Cre terea raportului m re te stabilitatea transversal , dar m re te rezisten a la înaintare i mic oreaz stabilitatea de drum. Pentru a îmbun i stabilitatea de drum se poate ad uga un derivor în planul diametral, care m re te suprafa a de deriv , dar introduce i o component suplimentar de rezisten la înaintare. La navele clasice, în imea de construc ie, D, este determinat din considerente de rezisten longitudinal , care sunt întotdeauna asigurate la navele de mici dimensiuni. De aceea, în cazul acestor nave, în imea de construc ie se adopt în func ie de destina ia navei i dimensiunile de gabarit ale motorului. De exemplu, pentru ambarca iunile cu destina ie turistic , în imea de construc ie se determin dup ce s-au stabilit în imile înc perilor situate sub punte, verificându-se dac spa iul prev zut pentru amplasarea motorului permite transportul i montarea acestuia i accesul mecanicilor pentru supraveghere, între inere sau repara ii. Navele mici, destinate naviga iei interioare, trebuie prev zute cu un bord liber minim, în conformitate cu cerin ele societ ilor de clasificare. Problema adopt rii dimensiunilor principale a navelor mici poate depinde i de existen a unor restric ii portuare de manevrabilitate i ancorare, care pot limita lungimea, l imea i pescajul. rimile navelor mici, de mare vitez , au crescut în ultimele dou decenii la valori care par s se apropie de posibilit ile maxime ale tehnologiilor actuale, sau ale viitorului apropiat [2]. Cerin ele cele mai frecvente în privin a dimensiunilor principale ale navelor mici sunt limitate la 50 m pentru lungimea maxim i 12 m pentru l imea maxim . O problem important , care influen eaz comportarea navei mici în regim de naviga ie, o constituie asieta. Este de dorit ca asieta navei în mar s fie apropiat de asieta de sta ionare, iar unghiul de asiet s fie cuprins între 2…5º. O asiet mai pronun at conduce la cre terea rezisten ei la înaintare. Asieta depinde de abscisa centrului de greutate al navei, xG, de formele extremit ilor, de coeficientul de fine e al suprafe ei plutirii i de abscisa centrului plutirii de calcul, xF. Pentru navele mici cu forme fine la extremit i i forme pline în zona sec iunii maestre, probabilitatea realiz rii unor asiete pronun ate în mar se re te. Pentru a limita apuparea i a ob ine un unghi de asiet corespunz tor, trebuie s se deplaseze centrul plutirii de calcul spre pupa i s se m reasc coeficientul de fine e al suprafe ei plutirii.

- 11 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Asieta navelor mici la viteze mari, depinde de pescajul oglinzii pupa, Tog i de unghiul înclin rii oglinzii pupa, og (fig.1.8).

Tog

T

Oglinda Pupa

og f

Fig.1.8 Elemente geometrice ale oglinzii pupa Pentru o asiet corespunz toare se urm re te ca raportul Tog/T s fie mai apropiat de unitate, iar unghiul og s fie mai mic. La viteze foarte mari, unghiul se anuleze. Pentru c acest fapt conduce la reducerea stabilit ii de og tinde s drum, navele mici de mare vitez , cu forme în V, se construiesc cu un anumit unghi de înclinare a gurnei, f , constant pe toat lungimea fundului. Proiectarea formelor extremit ilor navelor mici reprezint o problem dificil . Unghiul de intrare a liniei de plutire, m surat între urma planului diametral i tangenta la linia de plutire în extremitatea prova, trebuie s fie cât mai mic i are, de obicei, valori cuprinse între 12 … 20º. Unghiul de intrare a liniei de plutire condi ioneaz forma acesteia, care trebuie s aib o concavitate pronun at pentru a se racorda la l imea maxim , pe o distan relativ scurt . În scopul de a m ri rezerva de flotabilitate la prova, pentru formele sec iunii transversale se adopt fie solu ia formelor rotunde, concave (fig.1.9a), fie aceea a formelor în V (fig.1.9b) dezvoltate deasupra plutirii de calcul. Forma etravei în planul longitudinal determin lungimea maxim a navei. O form des utilizat care m re te i rezerva de flotabilitate este prezentat în fig. 1.10. Exist o mare varietate de forme folosite la construc ia extremit ii pupa. Pupa oglind este justificat de necesitatea de a câ tiga spa iul necesar amenaj rilor sub punte. Pentru adoptarea parametrilor og i Tog (specifici oglinzii pupa) se recomand diagramele din figurile 1.11 i 1.12. - 12 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

a)

.

b)

Fig.1.9 Forme specifice sec iunilor transversale prova ale navelor mici

Fig.1.10 Form tipic a liniei etravei Din fig.1.11 rezult c pentru numere Taylor mai mari decât 7, coasta extrem din pupa (sau oglinda) nu are înclinare în plan transversal. Observa ia este valabil numai pentru navele cu forme rotunde. Pentru navele cu forme în V, de mare vitez , trebuie s se adopte o anumit înclinare transversal og , care se p streaz constant pe toat lungimea fundului f og , pentru a m ri stabilitatea de drum. Din fig.1.12 rezult c pentru numere Taylor mai mari ca 15, pescajul oglinzii pupa devine egal cu pescajul navei. În consecin , de la jum tatea lungimii navei spre pupa, linia fundului navei este o dreapt . Pentru navele cu vitez mai mic , raportul Tog / T devine subunitar, iar linia fundului este o curb cu concavitatea orientat în sus.

- 13 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

80

60

40

T

14 13 12 11 10 9 8 7

Tog

T/Tog

o og

og

6 5 4 3 2 1

20 12 8 4 0

.

1

2

3

4

5

6

7

v

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

15

20

25

LWL

v LWL

Fig.1.11 Varia ia unghiului înclin rii oglinzii pupa, în func ie de num rul Taylor

Fig.1.12 Varia ia pescajului oglinzii pupa, în func ie de num rul Taylor

1.2.1.2. Tendin a actual i perspectivele proiect rii navelor de transport, de mare vitez Tendin a actual privind proiectarea monocorpurilor de vitez , aflate în regim de deplasament, const în utilizarea formelor V pronun ate la prova, cu gurn ascu it i unghiuri mici de în are a gurnei, f . În zona pupa se contureaz fundul aproape plat, linia fundului este o dreapt , iar plutirile prezint o descre tere u oar a semil imilor de la sec iunea maestr spre pupa oglind . În fig.1.13 este exemplificat transversalul planului de forme al unui monocorp de tip feribot, cu viteza de croazier de 35 noduri, care transport 350 pasageri. Principalele caracteristici ale navei sunt prezentate în tabelul 1.2 [2]. Navele cu astfel de forme sunt foarte simple, ieftine din punctul de vedere al construc iei i între inerii i foarte u or de manevrat în zone restrictive. Monocorpurile determin cele mai reduse dimensiuni principale pentru un num r de pasageri dat, în compara ie cu navele multicorp. Amenajarea pun ii pasagerilor i compartimentarea vertical este influen at de configura ia corpului navei. Datorit dimensiunilor principale

- 14 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

minime, nava monocorp din fig.1.13 are dou pun i pentru zona cabinelor i pasagerilor. Timpul pentru ambarcarea i debarcarea pasagerilor este mai mare, iar siguran a transportului este mai mic , în compara ie cu o nav feribot de tip catamaran, ale c rei caracteristici sunt prezentate tot în tabelul 1.2.

Fig.1.13 Transversalul planului de forme al unui monocorp de vitez rimea caracteristic Lungimea maxim , Lmax[m] Lungimea la plutire, LWL[m] imea maxim , Bmax[m] Pescajul, T[m] Deplasamentul, [t] Puterea instalat , P[kW] Autonomia, A[mile marine] Num rul de pasageri Viteza de croazier [noduri] Aria pun ii suprastructurii [m2]

Monocorp

Catamaran

43,0 36,9 7,50 1,17 137,0 4388,0 420 350 35 280

40,0 35,87 11,33 1,58 137,0 4455,0 420 350 35 332

Trimaran (proiect) 47,7 46,94 11,70 1,67 129,0 3788,0 420 350 35 315

Tabelul 1.2 M rimile caracteristice ale unor nave mici, rapide, de tip feribot (monocorp i multicorp) Au fost studiate, în timp, numerose forme pentru corpurile catamaranelor: cu gurn rotund , cu gurn ascu it , cu t ietur . Cele mai recente cercet ri au ar tat c formele dublu simetrice (babord-tribord i prova-pupa) sunt cele mai convenabile pentru reducerea rezisten ei la înaintare a catamaranelor, având rapoartele între dimensiunile principale ale unui corp L/B i B/T cuprinse între 9… 12 i respectiv 2 … 4. - 15 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

În fig.1.14a este exemplificat transversalul planului de forme al unui corp simetric de catamaran, cu gurn ascu it . În fig.1.14b este eviden iat un corp simetric cu gurn t iat . Din punctul de vedere al amenaj rii pun ii pasagerilor, cea mai mare parte a locurilor pasagerilor se afl la acela i nivel, iar transferul pasagerilor se face mai rapid. Siguran a general a transportului este mai mare decât în cazul navelor monocorp.

a)

Fig.1.14 Tranversalul planului de forme al unui corp simetric de catamaran a) cu gurn ascu it ; b) cu gurn t iat . Tendin a actual care se manifest în concep ia i proiectarea navelor mici, rapide, de tip feribot, este aceea a utiliz rii trimaranului. Configura ia acestuia se bazeaz pe folosirea unui corp principal foarte zvelt, legat de dou corpuri laterale care asigur stabilitatea transversal i m resc aria pun ii pasagerilor. Volumul imers al corpurilor laterale reprezint circa 8% din volumul total imers al trimaranului. Acest procent realizeaz un bun compromis între rezisten a la înaintare optim i stabilitatea transversal adecvat . De i au rapoarte L/B diferite, atât corpul principal cât i corpurile laterale au forme cu gurn rotund i pup dreapt , potrivite pentru scopurile urm rite. Corpurile laterale sunt simetrice pupa-prova i babord-tribord, a a cum se poate observa din fig.1.15. Caracteristicile principale ale proiectului trimaranului sunt prezentate, de asemenea, în tabelul 1.2. Pozi ia longitudinal i transversal optim a corpurilor laterale este influen at de numero i factori. Pentru un domeniu dat al numerelor Froude, interferen a favorabil dintre corpuri poate fi ob inut modificând corespunz tor pozi ia longitudinal a corpurilor laterale fa de corpul principal. Pozi ia transversal optim a corpurilor laterale depinde de restric iile legate de l imea maxim a trimaranului. Din punctul de vedere al amenaj rii pun ii pasagerilor, locurile acestora sunt dispuse în zona de confort i siguran sporit , evitându-se zona din prova

- 16 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

navei. Un avantaj al trimaranului, în raport cu catamaranul, îl constituie suprafa a sporit a pun ii suprastructurii, destinat pasagerilor. În fig.1.16, 1.17 i 1.18 sunt schi ate amenaj rile pun ilor navelor rapide de transport, de tip feribot, ale c ror caracteristici sunt prezentate în tabelul 1.2.

a) c)

b)

Fig.1.15 Forme specifice pentru configura ii de trimaran: a) corp principal cu gurn rotund i pup dreapt ; b) corp lateral simetric, cu sec iune transversal dreapt la extremit i; c) corp lateral simetric, cu gurn rotund la extremit i. Una dintre performan ele cele mai solicitate pentru navele de transport mici, o constituie viteza de regim. Navele de transport de tip feribot, prezentate în tabelul 1.1, ating o vitez de croazier de circa 35 noduri. Pentru ob inerea unei astfel de viteze trebuie s se acorde o aten ie deosebit performan elor de rezisten la înaintare, propulsie i comportare pe valuri (seakeeping), precum i greut ii corpului. Pentru optimizarea rezisten ei la înaintare este necesar determinarea valorilor fiec rei componente de rezisten . Influen a fiec rei componente asupra rezisten ei totale difer i depinde de domeniul num rului Froude i de tipul formelor. Optimizarea rezisten ei la înaintare este un proces iterativ, teoreticoexperimental, iar validarea solu iilor se realizeaz cu ajutorul testelor experimentale pe model desf urate în bazinele de încerc ri hidrodinamice. În fig.1.19 se prezint curbele de varia ie ale rezisten ei la înaintare în func ie de vitez , pentru navele: monocorp, catamaran i trimaran (f apendici).

- 17 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Se observ c trimaranul are o rezisten la înaintare mai mic i, în consecin , puterea de propulsie necesar la bord este mai mic , fapt ce se poate remarca în tabelul 1.2.

Fig.1.16 Amenajarea pun ilor navei monocorp, de tip feribot Ma inile de propulsie utilizate pentru a genera puterea necesar la bordul navelor analizate mai sus sunt motoarele Diesel, iar împingerea este furnizat de propulsoare cu jet. i propulsoarele azimutale pot constitui o solu ie optim pentru aceste tipuri de nave mici, rapide, de transport. Ambele tipuri de propulsoare asigur i performan e de manevrabilitate optime, la orice vitez . În prezent, orice tip de nav de mare vitez pentru transportul pasagerilor are, în general, un standard foarte înalt de cazare i confort care trebuie men inut - 18 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

pe cât posibil în orice condi ii de naviga ie. Pe de alt parte, în anumite situa ii, armatorii pot solicita ca navele s realizeze performan a de vitez dorit , pân la o anumit stare a m rii. Aceste cerin e sunt legate în mod direct de performan ele de seakeeping ale navelor, care la rândul lor influen eaz alte aspecte ale proiect rii, cum ar fi: amenaj rile navei, stabilirea zonelor de cazare a pasagerilor, e antionajul etc.

Fig.1.17 Amenajarea pun ilor navei catamaran, de tip feribot

- 19 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Fig.1.18 Amenajarea pun ilor navei trimaran, de tip feribot For ele hidrodinamice generate de ac iunea valurilor pot determina modific ri importante ale structurii sau chiar ale formelor corpului. Formele, uneori neconven ionale, ale navelor mici, rapide, ridic i alte probleme de seakeeping. Navele multicorp se confrunt , de exemplu, cu problematica interferen ei dintre corpuri, iar stabilizarea mi rilor cu aripi active constituie o metod practic i eficient de îmbun ire a peforman elor de seakeeping, deoarece vitezele mari furnizeaz for e de portan capabile s controleze mi rile nedorite ale navei. Performan ele stabilit ii intacte i de avarie sunt foarte importante pentru siguran a navelor mici, rapide, care prezint caracteristici diferite de stabilitate fa de navele clasice i necesit reguli i criterii noi privind siguran a transportului. Din punctul de vedere al stabilit ii, configura iile multicorp sunt preferabile celor monocorp. Spa iile de cazare pentru pasagerii navelor multicorp sunt dispuse deasupra pun ii de bord liber, r mânând volume disponibile care conduc la cre terea flotabilit ii. De asemenea, puntea suprastructurii mai coborât , cota centrului de greutate mai mic i centrul velic mai coborât, u ureaz posibilitatea de a satisface criteriile de stabilitate. Regulile de e antionare ale Societ ilor de clasificare prev d cerin e structurale distincte pentru navele mici. Pentru îndeplinirea performan ei de vitez de croazier la navele mici, rapide, se remarc tendin a de a se reduce greutatea corpului, pe seama utiliz rii unor materiale de construc ie u oare, cum ar fi aluminiul i materialele compozite. Materialele compozite sunt înc pu in utilizate, datorit rezisten ei reduse la foc, fapt care limiteaz zonele operative impuse de Societ ile de clasificare.

- 20 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Aluminiul este utilizat pe scar larg , datorit calit ilor mecanice i elastice superioare i tehnologiilor sigure de fabrica ie a corpurilor navelor. În concluzie, au fost structurate principalele direc ii privind viitorul proiect rii navelor mici, de mare vitez , propulsate cu motoare, de i numeroase componente de proiectare sunt, înc , subiecte de cercetare avansat . De i monocorpurile au dimensiuni mai reduse, multicorpurile aduc o serie de avantaje care au fost eviden iate mai sus. Pe m sura acumul rii cuno tin elor necesare, va fi posibil dezvoltarea unei metode de proiectare efectiv a navelor mici, rapide, de tip trimaran, bazat pe conceptele ingineriei concurente i pe proceduri multicriteriale.

180 Rt (kN) 160

140

120 Rt mono Rt cat Rt tri

100

80 60 20

25

30

35

40 V[noduri]

Fig.1.19 Varia ia rezisten ei totale la înaintare, Rt, în func ie de viteza navei, pentru monocorp, catamaran i trimaran

- 21 -

45

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1.2.2. Veliere 1.2.2.1. Clasificarea velierelor Dac ne referim la destina ia velierelor, acestea se împart în veliere de concurs, de croazier -concurs, de croazier (turistice) i de agrement. Dup modul de contrabalansare a înclin rii i a derivei din timpul mar ului cu vele, deosebim trei tipuri principale [4]: iahturi cu chil , la care momentul de redresare este produs în principal de lest, iar antideriva se datoreaz chilei-derivor; rci cu derivor, la care momentul de redresare se realizeaz prin efectul combinat al stabilit ii de form i deplas rii echipajului în bordul din vânt, iar for a transversal cu ajutorul derivorului retractabil; veliere multicorp, cu stabilitate transversal ini ial mare datorit corpurilor laterale distan ate, for a transversal fiind generat fie de corpuri, fie de un derivor amplasat în zona chilei sau derivoare a ezate în borduri. Dac ne referim la greement, în func ie de num rul de catarge i de vele, deosebim urm toarele tipuri de veliere: kat, nav cu un catarg i cu o singur vel ; sloop, nav cu un catarg i dou vele; tender, nav cu un catarg i trei vele; iol , nav cu dou catarge (al doilea catarg este amplasat în pupa axului cârmei i poart o vel cu suprafa a de 10 … 12% din suprafa a velaturii totale); katch, nav cu dou catarge, cu vela din pupa amplasat în prova axului cârmei i având o suprafa de 20 … 25% din suprafa a velaturii totale; goelet , nav cu dou sau mai multe catarge cu velatur latin (la goeleta cu dou catarge, vela de pe catargul prova are suprafa a mai mare decât vela pupa). Velierele de concurs se împart pe clase, conform regulilor de clasificare sportiv . Sunt cuprinse în aceea i clas veliere apropiate, sau comparabile sub aspectul calit ilor de mar . Majoritatea iahturilor moderne de concurs i a b rcilor cu derivor fac parte din clasa navelor monotip. Ele se construiesc dup desene identice, respectându-se strict regulile de construc ie i m surare care le asigur identitatea formei corpului, a dimensiunilor velelor i a caracteristicilor de greutate pentru fiecare clas . Velierele din clasele libere au restric ii mai pu in severe. De obicei, pentru acestea se limiteaz dimensiunile principale, suprafa a velaturii, unele elemente

- 22 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

de compartimentare a corpului i dimensiunile elementelor principale de osatur . Constructorul are libertatea de a- i alege formele i elementele de rigidizare. În tabelul 1.3 sunt prezentate dimensiunile orientative ale iahturilor de croazier -concurs, din clasele în tone. Clasa iahtului [tone] Miniton ¼ ½ ¾ 1 2

Coeficientul de concurs IOR [picioare] [m] 16,5 18 21,7 24,5 27,5 32

5,03 5,5 6,6 7,47 8,38 9,75

Lungimea maxim [m] 6,5 7,6 9,2 10,4 11,4 12,8

la plutire [m] 5 5,8 6,9 7,8 8,7 10,2

imea [m] 2,3 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8

Deplasamentul [t] 1,2 1,8 3,3 4,8 6,8 9,5

Aria suprafeei velaturii[m2] 18 24 35 45 58 73

Tabelul 1.3 Dimensiunile orientative ale iahturilor de croazier -concurs În continuare, vor fi prezentate principalele caracteristici i amenaj ri ale unor veliere de tip iaht, barc cu derivor i multicorp. 1.2.2.2. Iahturi În func ie de amplasarea i modul de fixare a chilei, iahturile se împart în trei grupe: cu o singur chil fixat în planul diametral; cu dou chile de gurn ; cu partea inferioar retractabil . Iahturile cu o singur chil sunt cele mai r spândite. Din aceast categorie fac parte toate iahturile de concurs i de croazier -concurs. Masa chilei lestate este de 25 … 45% din deplasament. Dac linia chilei este lung , pentru asigurarea antiderivei eficiente aria suprafe ei de deriv este 1/5 din aria suprafe ei velaturii, iar în cazul chilei-derivor raportul este 1/12. În fig.1.20 este prezentat iahtul miniton “Revolver”. Corpul iahtului se toarn în matri e realizate pentru fiecare bord. Îmbinarea bordurilor în planul diametral este înt rit cu fâ ii din fibr de sticl . Sec iile bordului i pun ii, precum i traversele i coastele sunt îmbinate cu uruburi. Derivorul se fixeaz cu prezoane. Grosimea înveli ului din fibr de sticl este de minim 4 mm, pentru o mas a corpului de 300 … 320 Kg. Pentru cabine, grosimea înveli ului din fibr de sticl este de 3 mm. Arborada este realizat din profil de aluminiu tras.

- 23 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Iahtul prezentat are cele mai bune calit i de naviga ie la vânt cu viteza de 7 m/s, dar este competitiv i pe vânt mai puternic (pân la 14 m/s). Pe timp de noapte, pot dormi trei persoane în cabin .

Fig. 1.20 Iaht miniton , cu o singur chil Iahturile cu dou chile de gurn i iahturile cu partea inferioar retractabil reprezint o grup intermediar între iahturi i b rci cu derivor i se utilizeaz mai ales în rile cu ie ire la m ri i oceane. Adâncimile variabile din zonele cu flux i reflux, vântul i valurile puternice, impun necesitatea construirii unor iahturi cu pescaj limitat i cu calit i de seakeeping ridicate, care s se foloseasc în zone cu adâncime limitat .

- 24 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

În fig.1.21 este prezentat un iaht cu partea inferioart retractabil , destinat pentru agrement i turism. Iahtul are gurn rotunjit i suprastructur alungit . Se asambleaz din sec ii turnate separat. În borduri se prev d gofre, pentru rirea rigidit ii înveli ului. Sectorul derivorului metalic trece prin chila fals din o el. Cârma cu pan retractabil este suspendat pe oglinda pupa. Pentru montarea motorului amovibil, pe oglinda pupa este prev zut un suport care permite ridicarea motorului deasupra apei în cazul naviga iei cu vele.

Fig.1.21 Iaht cu partea inferioar retractabil Iahtul are pere i transversali etan i care separ picurile prova i pupa. Pe varange sunt prev zute panouri cu saltele, care servesc ca locuri de dormit pentru dou persoane. Pontilul sus ine acoperi ul cabinei în locul de montare a catargului i serve te la fixarea masei rabatabile. Catargul este confec ionat din aliaj u or i este articulat la partea inferioar . Nescufundabilitatea iahtului este asigurat de cele dou compartimenete etan e i de spuma poliuretanic care umple prova corpului sub linia de plutire. Iahtul plute te pe chil dreapt i î i men ine stabilitatea cu cabina total inundat . Iahtul poate naviga pe vânt de 4 … 5º Beaufort.

- 25 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

În fig.1.22 este reprezentat un iaht cu dou chile de gurn , tipic pentru agrement, care nu este foarte rapid, dar este sigur i confortabil. Corpul are borduri verticale i l ime moderat . Cele mai bune calit i de naviga ie se manifest pe durata mar ului în band , când una dintre chile ocup o pozi ie apropiat de cea vertical . Pe chil dreapt i vânt slab datorit suprafe ei udate mari, iahtul este mult mai lent decât alte veliere comparabile. Cabina spa ioas i înalt ofer posibilit i corespunz toare de amenajare. Sunt prev zute cinci locuri de dormit (în picul prova i în cabin ).

Fig.1.22 Iaht cu dou chile de gurn Cabina are buc ria în tribord (echipat cu aragaz, chiuvet , dulap frigorific) i o m su cu o canapea în babord. De asemenea, în pupa-tribord, cabina este prev zut cu un grup sanitar i un dulap pentru îmbr minte. Motorul Diesel de 25 C.P. compenseaz viteza mic a iahtului pe vânt slab. 1.2.2.3. B rci cu derivor În func ie de destina ie i construc ie, b rcile cu derivor se împart în b rci de concurs, de croazier i de agrement. - 26 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Majoritatea b rcilor cu derivor pentru concurs, fac parte din clasele monotip. rcile de croazier sunt proiectate pentru c torii de lung durat . Confortul lor este mai modest în compara ie cu cel al iahturilor cu chil , corespondente. rcile de agrement au corpul f cabin , deschis sau puntit în prova i se preteaz la remorcare auto i chiar la transport pe portbagajul auto. Caracteristicile unor b rci cu derivor sunt prezentate în tabelul 1.4. Caracteristica Lungimea maxim [m] Lungimea la plutire [m] imea maxim [m] imea la plutire [m] Pescajul corpului [m] Pescajul cu derivor [m] În imea de construc ie: - la prova [m] - la sec iunea maestr [m] - la pupa [m] Deplasamentul [t] Aria suprafe ei velaturii [m2]

“T-69” 7 6 2,4 2 0,25 1,5

“SKAT” 6,995 6 2,7 1,95 0,25 1,35

“MIROR” 3,3 2,7 1,4 0,2 1

0,83 0,71 0,60 1,07 -

0,82 0,70 0,60 0,885 20

. 0,6 6,1

Tabelul 1.4 Caracteristicile unor b rci cu derivor. În func ie de dimensiuni, b rcile cu derivor se deplaseaz în zone de naviga ie interioare, cu ie ire la zonele de litoral marin învecinat. Din punct de vedere constructiv, sub aspectul instal rii derivorului, deosebim b rci cu derivor tip cu it (care se introduce în pu ul derivorului) i cu derivoare rotative (rabatabile). Derivoarele de tip cu it sunt mai simple din punct de vedere constructiv, dar mai pu in sigure, deoarece ocurile provocate de ac iunea apei pot conduce la distrugerea derivorului i a corpului. Derivoarele rotative laterale sunt mai sigure, dar au o construc ie mai complicat i ocup un volum mai mare din corp, fiind folosite în principal la rcile de croazier . De obicei, aria medie a suprafe elor derivorului reprezint 1/25 din aria suprafe ei velaturii. La derivoarele profilate acest raport este 1/40, iar la cele metalice, compuse din sectoare, este 1/20. Masa derivorului nu influen eaz mult stabilitatea navei. La alegerea materialului derivorului se are în vedere asigurarea rezisten ei sale structurale. Derivoarele se construiesc din o el, aliaje u oare i lemn. În locul derivorului se poate folosi o chil grea, retractabil , numai dac masa derivorului reprezint peste 25% din deplasament.

- 27 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

rcile cu derivor pentru croazier , din clasa T, se folosesc pentru curse de lung durat . Ele au performan e bune de seakeeping. Tehnologia de construc ie se bazeaz pe utilizarea înveli ului din ipci, sau din placaj, navele având gurn rotund , sau ascu it . Barca cu derivor “SKAT”, prezentat în fig.1.23, are sec iunea transversal de form trapezoidal , cu evazarea m rit a bordurilor, pentru îmbun irea stabilit ii transversale. Este tot o barc din clasa T.

Fig.1.23 Barca cu derivor “SKAT” Stabilitatea static a b rcii cu derivor se m re te suplimentar cu ajutorul lestului metalic fixat în interiorul corpului, în zona chilei. Înveli ul din placaj rezistent la ap este înt rit de osatura longitudinal din ipci de pin, care se reazem pe opt cadre transversale. Din osatura longitudinal mai fac parte i stringherii înt ri i pe liniile gurnelor i pe chila navei.

- 28 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Compartimentarea ra ional permite amenajarea a cinci locuri de dormit (dou în picul prova i trei în cabin ). Barca este greeat în sloop i deservit cu echipaj redus pe durata voiajelor lungi. Barca cu derivor “Miror” poate fi folosit pentru plimb ri cu familia (fig.1.24). Se eviden iaz printr-o bun stabilitate, datorit l imii mari i formelor prova te ite împreun cu etrava. Se comport foarte bine pe valuri (urc pe valuri), având gurna ridicat mult în prova i forme în V pronun ate. Barca poate fi propulsat cu vele, cu vâsle i cu motor amovibil cu puterea de 2 kW.

Fig.1.24 Barca cu derivor “Miror” 1.2.2.4. Veliere multicorp Cele trei tipuri de veliere reunite în aceast grup (catamaranele, trimaranele i velierele cu flotor) se eviden iaz prin num rul de corpuri, rapoartele între dimensiuni i particularit ile de exploatare. Catamaranele au dou corpuri identice ca dimensiuni i forme, cuplate prin leg turi transversale. Trimaranele sunt alc tuite dintr-un corp principal i dou corpuri laterale. Velierele cu flotor sunt mai pu in cunoscute i se mai numesc i veliere “proa”. Flotorul se amplaseaz permanent în bordul din vânt, sau în cel de sub vânt, al corpului principal. Velierele proa cu flotorul în vânt se mai numesc “proa de Pacific”, sau “proa zbur tor”. Flotorul lateral joac rol de contragreutate i asigur echilibrul navei pe vânt puternic. Velierele proa cu flotorul în bordul de sub vânt se mai numesc “proa de Atlantic”, iar flotorul creeaz un moment de redresare suplimentar datorat for elor de împingere ce apar la imersarea flotorului. Velierele multicorp se utilizeaz ca nave de concurs, de croazier i de agrement. Velierele de dimensiuni mici i medii se execut , deseori, în variant demontabil , fapt care simplific problema transportului. Caracteristicile principale ale unor veliere de tip catamaran sunt prezentate în tabelul 1.5. - 29 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici . Caracteristica Lungimea maxim [m] Lungimea la plutire [m] imea total [m] imea corpului la plutire [m] Pescajul corpului [m] Pescajul cu derivor [m] Deplasamentul [t] Aria suprafe ei velaturii [m2]

.

“HEWCAT”

“GAUIA”

“LEBED”

5,4 5 3,4

8,5 5,6

15,2 12,5 6,0

“CAPITAN VILLIS” 11,0 9,05 4,3

0,58 0,25 1,0 0,8 22

0,7 0,6 2,5 36

0,78 0,62 5,7 106

0,56 0,49 2,2 54,4

Tabelul 1.5 Caracteristicile unor veliere catamaran Masa mai mic fa de trimaran i manevrabilitatea mai bun fa de velierul cu flotor au asigurat catamaranului o superioritate incontestabil în cursele pe distan e olimpice. Ca nav de croazier , catamaranul este sub nivelul trimaranului, în ceea ce prive te confortul. Catamaranul “HEWCAT” (fig.1.25) are dimensiuni mici, dar asigur necesarul pentru un echipaj de 2 … 3 persoane pe timpul voiajelor lungi. Velierul are spa ii de dormit, buc rie cu aragaz i chiuvet i grup sanitar. Suprastructura cu forme aerodinamice nu creeaz rezisten la înaintare mare. Corpurile sunt executate din fibr de sticl . Pentru traversa prova s-a folosit un profil tubular cu sec iune aerodinamic . Celelalte leg turi transversale sunt executate din placaj i acoperite cu fibr de sticl .

Fig.1.25. Velierele catamaran “HEWCAT” (în stânga) i “GAUIA” (în dreapta)

- 30 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

For a transversal de antideriv este produs de derivoarele laterale, montate în bordurile exterioare ale ambelor corpuri. Velierul Hewcat poate dezvolta o vitez de pân la 10 noduri, pe vânt de 5º Beaufort i valuri moderate. Catamaranul “GAUIA” (fig.1.25) are patru cabine cu câte dou locuri, amenajate pe corpurile laterale. Realizeaz voiaje maritime lungi. Nu are derivoare. For a transversal de antideriv este realizat de partea imers a corpurilor i de cârmele cu alungire mare. Catamaranul “LEBED” (fig.1.26) are zon nelimitat de naviga ie i un echipaj de ase persoane. Corpurile foarte alungite i înguste sunt cuplate cu traverse puternice i cu o grind aerodinamic în prova. Corpurile cu form de arip în sec iunea transversal , cu bordurile exterioare plane i bordurile interioare convexe, creeaz for a transversal care asigur urcarea în vânt, la un unghi de pân la 35º f derivoare. Velatura eficient permite atingerea unei viteze maxime de 20 noduri.

Fig.1.26 Velierul catamaran “LEBED” În tabelul 1.6 sunt prezentate caracteristicile principale ale unor veliere de tip trimaran i proa (cu flotor). Volumul mare al corpului central al trimaranului ofer posibilitatea de a se amenaja înc peri de locuit confortabile. În consecin , velierele de acest tip sunt utilizate în special pentru croazier i croazier -concurs. Velierele cu flotor se construiesc, în principal, pentru realizarea unor recorduri de vitez pe trasee speciale (inclusiv transoceanice).

- 31 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Caracteristica

“SUPERNOVI”

“TRITON”

“BAIDA”

Lungimea maxim [m] Lungimea la plutire [m] Lungimea maxim a corpului lateral [m] imea total [m] Pescajul corpului [m] Pescajul cu derivor [m] Deplasamentul [t] Aria suprafe ei velaturii [m2]

4,5 4,15

7,15 6,5

12 11

PROA “MECITA” 11 10,2

3,25 3,2 0,12 0,14 7…12

5,58 4,2 0,5 0,98 24

10,4 7,5 0,9 1,6 5 84

11 5,7 0,65 3,2 40

Tabelul 1.6 Caracteristicile unor veliere trimaran i proa (cu flotor) Trimaranul “SUPERNOVI” este destinat agrementului pe acvatorii interioare (fig.1.27). Nu are derivor. Corpurile din mase plastice sunt cuplate prin dou traverse tubulare. Trimaranul demontat poate fi transportat pe portbagajul superior al autoturismului.

Fig.1.27 Velierele trimaran “SUPERNOVI” (în stânga) i “TRITON” în (dreapta) Trimaranul “TRITON” (fig.1.27) este folosit pentru agrement i turism pe acvatorii interioare i în zonele maritime de coast . - 32 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

For a transversal de antideriv este asigurat de c tre corpurile laterale, asimetrice în plan. Acestea se monteaz înclinat fa de corpul central, astfel încât, la un unghi de înclinare transversal de 15º realizeaz o pozi ie vertical . Pentru construc ie se folose te placajul i ipcile din pin. Pe trimaran se poate îmbarca tot ceea ce este necesar pentru un echipaj de 3 … 4 persoane. Trimaranul “BAIDA” face parte din categoria velierelor destinate voiajelor sportive lungi (fig.1.28), având calit ile de seakeeping i dot rile necesare. Sec iunile transversale ale corpului central au forme radiale, compuse din fâ ii plane montate între chil i cele trei gurne din fiecare bord. Corpurile laterale, cu gurne ascu ite, au un volum mare care asigur echilibrarea navei. Când sunt complet imersate, reprezint peste 80% din deplasamentul total al trimaranului. Corpurile laterale sunt montate înclinat fa de corpul central, astfel încât la înclin ri transversale s se utilizeze eficient calit ile lor de portan i rezisten la înaintare. Pentru coborârea centrului velic i pentru a putea modifica între limite largi aria suprafe ei velice, trimaranul “BAIDA” are dou catarge de tip catch. Pe trimaran este prev zut o cabin prova cu un loc i un salon cu patru locuri de dormit. Cabina c pitanului se afl în picul pupa. În pupa rufului, în babord se afl buc ria, iar în tribord masa de naviga ie. În prova salonului se afl dulapuri de haine i grupul sanitar.

Fig.1.28 Velierul trimaran “BAIDA” Toate construc iile de corp i arborada sunt executate din foi de aliaj u or (AlMg58). Grosimea înveli ului exterior al celor dou traverse principale din - 33 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

profil chesonat este de 5 mm, grosimea corpurilor este de 3 mm iar grosimea pun ii rufului este de 2mm. Velierul cu flotor “MECITA” este un velier proa de Atlantic (fig.1.29). Volumul flotorului care este necesar pentru men inerea stabilit ii transversale la un unghi de band de 15 … 17º, se ob ine pe seama alungirii mari (Lf/Bf = 20), fapt ce determin mic orarea rezisten ei de val. Formele corpului i ale flotorului sunt simetrice i fa de sec iunea maestr i fa de planul diametral. Sec iunile transversale ale extremit ilor sunt ridicate fa de sec iunea maestr . Din acest motiv se reduce ambarcarea de ap pe punte, la naviga ia pe valuri incidente. Velierul cu flotor este destinat naviga iei de lung durat în largul m rii, cu un echipaj de 2 … 3 persoane, la un nivel minim de confort. Catargul rotativ i ina în form de arc de cerc permit manevrarea rapid a velelor.

Fig.1.29 Velierul cu flotor “MECITA”.

- 34 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1.3. Nave în regim de sustenta ie 1.3.1. Nave glisoare 1.3.1.1. Formarea for elor hidrodinamice pe placa plan Dac o plac plan fix este a ezat simetric-transversal fa de direc ia de mi care a fluidului nevâscos, omogen i stabil, atunci în apropierea pl cii, curentul se separ i se îndep rteaz la infinit de-a lungul suprafe ei pl cii (fig.1.30). S-a notat cu v viteza fluidului, cu pa presiunea constant a mediului ambiant i cu Fp for a de presiune normal pe suprafa a udat a pl cii.

Pa Fp

V Pa

Fig.1.30 Curgerea unui curent de fluid pe o plac plan fix , a ezat transversal pe curent În cazul fluidului real, vâscos, comportarea curentului aplicat normal pe placa fix este complicat de formarea unei zone turbionare mari i a tensiunilor tangen iale pe suprafa a pl cii. presupunem c placa plan fix este a ezat sub un unghi de înclinare fa de direc ia de mi care a fluidului ideal (fig.1.31). Simetria curgerii va dispare i o mare parte a jetului va fi orientat în jos.

Fp

Fv St Pa

FH Pa

x

V

Pa

Fig.1.31 Curgerea unui curent de fluid pe o plac plan înclinat

- 35 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Curba critic a curentului (pe care este simbolizat viteza v ) nu este o linie dreapt i nu coincide cu axa curentului, a a cum se întâmpl în cazul pl cii plane transversale. În consecin , for a de presiune Fp ac ioneaz în centrul de presiune X i nu în punctul critic St (punctul stagn rii particulelor de fluid). În continuare, se consider mi carea unei pl ci plane înclinate pe suprafa a de separa ie aer-ap , caz mai apropiat de regimul func ion rii navei glisoare (fig.1.32).

Lpl 1 Lw

Pa

3

Pa 2

Pa

St

V

Fig.1.32 Sp larea pl cii plane înclinate, care se deplaseaz pe suprafa a fluidului Se consider c apa aflat ini ial în repaus are adâncime infinit , iar placa plan (normal pe planul foii, cu suprafa a infinit ) se deplaseaz cu viteza v. Lungimea pl cii plane s-a notat cu L pl . În situa ia înclin rii mici a pl cii plane, cantitatea de ap aruncat înainte este mic i se transform în stropi. S-a notat cu indice 1 lungimea udat a pl cii, LW, cu indice 2 baza jetului de stropi i cu indice 3 jetul de stropi. În fig.1.33 este reprezentat distribu ia tipic a vitezei i coeficientului de presiune pe suprafa a glisoare a pl cii plane înclinate. Coeficientul de presiune este definit cu rela ia: Cp

p

pa /

1 2

w

v2

(1.3)

în care w este densitatea fluidului, iar p este presiunea fluidului de-a lungul suprafe ei pl cii plane înclinate.

- 36 -

Cp=(p-pa) / (1/2 wv 2)

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

V 1

1

.

2

0 1

0

St Lw Lpl

Fig.1.33 Distribu ia vitezei i coeficientului de presiune pe suprafa a glisoare a pl cii plane înclinate Zona 1 din fig.1.33 corespunde vitezelor orientate înapoi, zona 2 este aceea a vitezelor orientate înainte, iar punctul St este punctul critic de presiune maxim . Coeficientul Cp este mereu pozitiv, deci presiunea local p este mai mare decât presiunea atmosferic pa. Presiunea local scade pe direc ia sp rii pl cii de c tre fluid. Presiunea maxim pe suprafa a de glisare poate fi foarte mare. Spre exemplu, dac Cp = 1, v = 30 m/s (~ 60 noduri), w = 1000 kg/m3, atunci p – pa = 4,5 · 105 N/m2. Pentru determinarea for ei de presiune, Fp, normal la suprafa a glisoare a pl cii înclinate, se poate aplica o metod de natur energetic [5] care analizeaz modificarea fluxului de energie al fluidului din apropierea pl cii. În fig.1.34 este prezentat schema vitezelor în cazul analizat.

Fig.1.34 Triunghiul vitezelor pe suprafa a glisoare a pl cii plane înclinate Masa de fluid prin care trece placa se consider în repaus la infinit amonte i aval. Energia transmis fluidului la deplasarea pl cii (înclinat cu unghiul mic ) este energia “aruncat ” de sub plac . - 37 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Se neglijeaz influen a stratului limit asupra suprafe ei udate a pl cii. Rezult c fluidul aruncat înainte are viteza relativ v fa de plac , egal cu viteza pl cii. Din triunghiul vitezelor rezult c viteza absolut a apei (suma dintre viteza relativ a fluidului fa de plac i viteza pl cii) devine egal cu 2v·cos( /2). Dac este grosimea jetului invers de fluid (care curge înainte) la muchia de atac, atunci debitul de mas al apei aruncate înainte (pe unitatea de lungime) va fi egal cu w v . Pentru continuitatea curgerii, m rimea trebuie s fie egal cu imersarea liniei critice a curentului, mult în amontele pl cii. Fluxul de energie transmis fluidului de c tre unitatea de lungime a pl cii va fi egal cu

w

1 2v cos 2

v

2

/2

i reprezint totodat puterea cu care placa

efectueaz lucrul mecanic asupra apei, în unitate de timp: 1 2

v Fpu sin

v

w

2v cos( / 2)

2

.

(1.4)

S-a notat cu Fpu for a de presiune pe unitatea de lungime. inând cont de lungimea pl cii plane, Lpl, for a hidrodinamic vertical devine: Fp Fp

w

w

v2

v2

L pl 2 cos 2 ( / 2) / sin

Lpl 2 cos2 ( / 2) / 2 sin( / 2) cos( / 2) v2

(1.5) Ecua ia (1.5) arat c for a de presiune, de natur hidrodinamic , se formeaz pe suprafa a pl cii înclinate numai dac m rimea este diferit de zero. Cu alte cuvinte, apa trebuie s fie aruncat înainte, deci glisorul nu poate exista f formarea jetului de stropi. a cum se observ din fig.1.31 for a de presiune hidrodinamic normal la suprafa a pl cii se descompune într-o component vertical FV i o component orizontal FH (rezisten a la înaintare). Men ion m c dac jetul de stropi cade pe corpul glisor, se creeaz o surs suplimentar de rezisten la înaintare. For a hidrodinamic vertical poate fi calculat cu rela ia: FV Fp cos . (1.6) inând cont de expresia (1.5) i utilizând ipoteza unghiurilor mici de înclinare , se ob ine prin transform ri echivalente: Fp

FV FV

w

w

w

v2

L pl ctg( / 2) .

v2

L pl cos

L pl cos

FV

w

v2

ctg( / 2)

cos( / 2) / sin( / 2) L pl /( / 2)

v2

. (1.7) Expresia (1.7) furnizeaz valoarea aproximativ a for ei hidrodinamice verticale, generat de mi carea unei pl ci plane, cu suprafa infinit , înclinat cu un unghi mic pe suprafa a de separa ie aer-ap . FV

2

w

- 38 -

Lpl /

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Dac for a hidrodinamic de sustenta ie ac ioneaz asupra corpului unei nave înclinat longitudinal i determin ie irea acestuia din ap , atunci nava opereaz în regim de glisare. În mod analog, for a hidrodinamic orizontal poate fi determinat cu rela ia: FH Fp sin . (1.8) inând cont de expresia (1.5) i utilizând ipoteza unghiurilor mici de înclinare , se ob ine: FH FH

w

v

2

v2

w

Lpl sin

ctg( / 2)

Lpl 2 sin( / 2) cos( / 2) cos( / 2) / sin( / 2) FH

w

FV

v2 2

Lpl 2 cos2 ( / 2) w

v2

Lpl .

(1.9)

inând cont de rela ia (1.7), rezult : (1.10) Men ion m faptul c , în practic , rela iile (1.7) i (1.10) î i pierd precizia pentru pl cile plane de l ime finit , ca urmare a influen ei muchiilor laterale care anuleaz bidimensionalitatea curentului. Rela iile au fost utile pentru în elegerea exact a parametrilor de care depinde formarea for elor hidrodinamice pe placa plan i existen a fenomenului de glisare. În fluid real, datorit vâscozit ii, schema ac iunii curentului pe suprafa a glisoare a pl cii plane difer semnificativ. Pe lâng for a de presiune hidrodinamic Fp, perpendicular pe plac , ac ioneaz de-a lungul pl cii i for a de frecare Ff (fig.1.35). FH

FV .

Fig.1.35 Schema ac iunii curentului asupra unei pl ci care gliseaz pe suprafa a fluidului real Ac iunea însumat a fluidului real asupra pl cii glisoare se reduce la for a rezultant FR, care formeaz un unghi oarecare cu placa. Proiec ia for ei FR pe direc ia de deplasare a pl cii, FRH, reprezint rezisten a la înaintare, iar proiec ia for ei FR pe direc ie perpendicular pe direc ia de deplasare, FRV, reprezint for a portant care realizeaz glisarea în anumite condi ii ce vor fi stabilite în paragraful urm tor. - 39 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1.3.1.2. Ecua iile de echilibru ale navei glisoare Glisarea sau alunecarea pe suprafa a apei, este mi carea navei în care for a portant este condi ionat în propor ie de 90 … 95% de for ele hidrodinamice de sustenta ie [3]. Un tablou cinematic al liniilor de curent în jurul glisoarelor se caracterizeaz prin prezen a unei intense împingeri de ap la prova, care formeaz o spum de stropi, iar la pupa printr-o curgere lin a jeturilor de fluid de sub fundul navei, f a sp la oglinda pupa. Modificarea regimului de deplasare al navelor glisoare se poate urm ri or din diagrama 1.36, care furnizeaz dependen a imers rii provei, sec iunii maestre i pupei navei, în func ie de num rul Fn

IMERSARE

EMERSARE

Tpv T Fn 1

3

2

4

Tpp

I

limita asimptotica

III

II

Fig.1.36 Dependen a imers rii sau emers rii provei, sec iunii maestre i pupei navei, fa de num rul Fn (diagrama lui Pavlenco) Zona I este caracteristic regimului de deplasament, zona II corespunde regimului tranzitoriu, iar zona III este specific regimului de glisare. La viteze relativ mici (din domeniul I) navele pot avea un pescaj ceva mai mare decât în pozi ie static . La limita de separa ie dintre zonele I i II prova navei atinge imersarea maxim . Pe m sura cre terii vitezei, prova începe s ias din ap . Totodat , ca urmare a sc derii continue a presiunii pe pupa, se observ cre terea imers rii la pupa. Se manifest prima caracteristic a fenomenului de glisare: fundul navei este înclinat longitudinal sub un unghi oarecare de atac, la viteze relativ mari de deplasare i se creeaz o for hidrodinamic de sustenta ie.

- 40 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Dac Fn 3 nava se afl în regim de glisare. Se reduce considerabil pescajul la pupa, prova este complet emersat , ca i sec iunea maestr . Limita asimptotic a procesului men ionat ar corespunde pozi iei navei cu pescaj zero, cu fundul sub un unghi oarecare de atac i tangent la suprafa a apei în extremitatea pupa. În realitate, for a hidrodinamic care realizeaz sustenta ia corpului în regim de glisare este aplicat pe suprafa a inferioar a p ii corpului aflat în imersie. În consecin , în afara for elor hidrodinamice de sustenta ie, Fp, exist i for e de împingere (arhimedice) de natur hidrostatic , FA. În cazul general, putem considera c nava mic are forme paralelipipedice, exceptând zona prova care este emers în regim de glisare. Sistemul hidrostatic ideal de for e este prezentat în fig.1.37. Oglinda pupa (1) a navei mici nu este udat , de obicei, deoarece apa nu reu te s urm reasc schimbarea rapid a pozi iei pupei.

lw

1

z/sin

FA X

O x P z

Fig.1.37 Sistemul for elor hidrostatice de presiune ce ac ioneaz asupra glisorului La o adâncime z sub suprafa a liber , presiunea manometric pe suprafa a udat a corpului este: p pa (1.11) w g z . Dac lungimea i l imea suprafe ei udate a fundului navei sunt w i respectiv bw , iar z este în imea elementului de suprafa udat , atunci lungimea elementului de suprafa udat , w , pe care ac ioneaz presiunea p este dat de rela ia: z sin

w

For a de împingere hidrostatic elementul de suprafa de arie: s

bw

.

elementar , z / sin

este dat de expresia: - 41 -

(1.12) FA , care ac ioneaz

pe

(1.13)

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

(1.14) inând cont de rela iile (1.11) i (1.13) prin transform ri echivalente ob inem: FA

FA

FA

p

w

s.

pa

gzbw

z / sin

g bw z sin

w

z.

(1.15)

For a de împingere hidrostatic FA , aplicat în centrul de presiune X, se ob ine prin integrarea rela iei de mai sus, între limitele z1 0 i z2 w sin : z2

FA

z2

g bw sin

w

FA z1

FA FA

1 2 1 2

z

g bw 1 2 z 2 z z1 sin 2

w

z

z1

g bw sin

2 w

w

w

g

2 w

sin 2

.

bw sin

(1.16)

Componenta vertical a for ei de împingere hidrostatic ac ioneaz în centrul de presiune X i este dat de rela ia: FAV

FA cos

1 2

w

g

2 w

bw sin

1 4

cos

w

g

2 w

bw sin 2

.

(1.17)

Deoarece oglinda pupa nu s-a considerat ca fiind imersat , exist i o component orizontal a for ei de împingere hidrostatic , FA , orientat spre pupa, dat de expresia: H

FAH

FA sin

1 2

w

g

2 w

bw sin 2

.

(1.18)

În afara for elor de presiune hidrostatice FA i hidrodinamice Fp, asupra corpului navei glisoare mai ac ioneaz for a de frecare Ff datorat vâscozit ii fluidului real, for a de împingere Tp produs de propulsor, precum i for a de greutate a navei W. Se presupune c for a de împingere este orientat paralel cu chila, dar în practic acest lucru depinde de direc ia axului elicei i de tipul instala iei de propulsie. Datorit rotunjirii longitudinale a formei corpului la extremitatea prova (pentru reducerea rezisten ei la înaintare la viteze mici) for ele de presiune hidrodinamice Fp i hidrostatice FA pot s nu fie perpendiculare pe linia fundului navei. Acest lucru se ia în calcul prin alegerea direc iilor for elor Fp i FA sub unghiurile i respectiv fa de vertical . Pentru a evita complica ii ulterioare, o asemenea generalizare nu s-a extins i asupra for ei de frecare Ff. Când nava se deplaseaz cu viteze mari, curbura longitudinal a corpului udat este neglijabil de mic . În fig.1.38 este prezentat sistemul de for e care ac ioneaz asupra navei glisoare (a) i diagrama for elor (b).

- 42 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Z Fp

G

a)

V

FA G ZT

ZH Ff

X

H

W

Tp

X H W

b) Fp FR

FR V Tp Tpsin

FRH=RT-FA*sin(

Tpcos

)

Ff )

W-FA* cos(

Fig.1.38 For ele care ac ioneaz asupra navei glisoare Compunând for a de presiune hidrodinamic Fp cu for a de frecare Ff, se ob ine for a hidrodinamic rezultant FR. Componenta acesteia pe direc ia vertical este notat cu FR , iar pe direc ia orizontal cu FR . Ecua ia de echilibru pe direc ia axei verticale se scrie sub forma: 0. W FA cos Fp cos F f sin Tp sin (1.19) Având în vedere faptul c : ) F f sin (1.20) Fp cos( FR rela ia (1.19) devine: W FA cos( ) FR Tp sin . (1.21) Ecua ia de echilibru pe direc ia axei longitudinale se scrie sub forma: ) Fp sin( ) F f cos 0. FA sin( Tp cos (1.22) Deoarece exist rela ia: V

H

V

V

- 43 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici . Fp sin

F f cos

.

(1.23)

FRH

expresia (1.22) devine: (1.24) unde RT este rezisten a total la înaintare a navei glisoare, egal cu componenta orizontal a for ei de împingere a propulsorului. De asemenea, pentru mi carea stabilizat suma momentelor for elor în raport cu centrul de greutate G trebuie s fie egal cu zero: Tp cos

FA

G

Ff zH

X

FRH

cos

FA sin

RT

z H sin

Fp

H

G

cos

z H sin

0.

T p zT

(1.25) Ecua iile de echilibru ale navei în mi care stabilizat de glisare se pot simplifica dac viteza de deplasare este foarte mare i dac se consider unghiurile i mici. În aceste condi ii, FA Fp , F f sin Fp , T p sin Fp i ecua iile (1.21) i (1.24) devin: ) W FR Fp cos( (1.26) V

Tp cos

RT

FRH

Fp sin(

F f cos

W tg

)

W

Ff cos

cos

sin(

)

Ff cos

Ff .

W

(1.27) Analizând rela ia (1.27) se constat c rezisten a total la înaintare a navei aflat în glisare se compune din trei p i principale: componenta W FR se nume te rezisten a inductiv i este generat de abaterea de la vertical a for ei hidrodinamice Fp datorit asietei navei; componenta W se poate considera ca fiind suma rezisten ei de val i a rezisten ei de presiune vâscoas ; componenta Ff este rezisten a de frecare a navei. La viteze mari rezisten a de val este mic , dar totu i nava suport o rezisten inductiv datorat asietei. i ecua ia momentelor (1.25) se poate scrie într-o form simplificat : (1.28) cos Fp H z H sin F f z H Tp zT . G Rela ia (1.28) permite determinarea m rimii H G , care stabile te distan a longitudinal dintre centrul de greutate i centrul for elor hidrodinamice de presiune. Astfel, din rela ia (1.27) rezult expresia for ei de împingere a propulsorului: V

Tp

1 cos

Fp sin(

) Ff cos

i înlocuind-o în expresia (1.28) ob inem: Fp

H

G

cos

z H sin

Ff zH

- 44 -

1 cos

Fp sin(

) Ff cos

zT .

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Prin transform ri echivalente, rezult : H

H

H

G

H

Ff

z H tg

Ff

z H tg

G

Fp

Fp

1 cos Ff

z H tg

G

H

Fp zH

G

H

Ff

z H sin

cos

G

G

Fp 1 cos

zH 1 cos zT tg

zH

Dac se presupune c zH

zT

zH

1 cos

zH

sin( ) zT cos cos

sin

sin(

cos cos

zH

tg

zH

tg

sin cos zT

zT

Ff Fp

tg Ff Fp

1 cos

Ff

)

Ff Fp

cos

zT 1 cos

1 cos

Ff

zT Ff Fp

zT

cos

Fp

Fp 1 cos

zT

1 cos

zT

zT

z T tg

zT tg

.

zT , din expresia de mai sus se ob ine: zT tg . H G

(1.29)

(1.30) este mic, practic Deoarece unghiul înclin rii longitudinale a fundului centrul for elor hidrodinamice de presiune H este amplasat longitudinal în apropiere de centrul de greutate G. Un parametru important, care determin apari ia fenomenului de glisare, este unghiul înclin rii longitudinale a fundului navei, . Din analiza rela iei (1.7) dedus pentru placa plan , rezult c , cu cât unghiurile sunt mai mici, cu atât for a hidrodinamic vertical care genereaz portan a este mai mare. Unghiul depinde de pozi ia longitudinal a centrului de greutate, de forma i dimensiunile suprafe ei de glisare, de pozi ia longitudinal a centrului de presiune hidrodinamic . Unghiul cre te pe m sura deplas rii centrului de greutate al navei spre pupa. Forma perfect plan a fundului carenei este cea mai eficient din punctul de vedere al hidrodinamicii glis rii. Pentru navele glisoare de mare vitez se cer calit i superioare de manevrabilitate i o bun stabilitate de drum, iar forma plan a fundului carenei nu este recomandat . În aceast situa ie, se prefer fundul stelat. Problema formelor optime ale navelor glisoare va fi abordat în paragraful urm tor.

- 45 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1.3.1.3. Formele optime ale navelor glisoare Pentru a utiliza eficient for ele hidrodinamice care apar pe carena navei pe timpul deplas rii cu viteze mari, trebuie ca forma fundului s asigure glisarea pe suprafa a apei cu o rezisten la înaintare minim . Întrucât glisarea este înso it de diferen e mari de presiune i de curgerea lichidului pe fund în sens transversal, fapt care genereaz jetul de stropi, trecerea de la fund spre bord trebuie s exclud sp larea bordurilor navei de c tre jetul de stropi. Aceste condi ii sunt satisf cute în cea mai mare m sur de c tre formele cu fund plat i gurn ascu it . Totu i, deplasarea unei nave cu astfel de forme pe valuri va fi înso it de ocuri i suprasarcini considerabile, iar la viteze mai mici rezisten a la înaintare va fi mult mai mare decât la navele cu forme tradi ionale. Satisfacerea cerin elor de comportare pe valuri (de seakeeping) este legat de trecerea de la formele cu gurn ascu it i fund plat la formele cu gurn rotunjit i fund stelat în V, forme care m resc îns rezisten a la înaintare în regim de glisare. De aceea, formele navelor glisoare se aleg pornind de la un compromis între cerin ele de seakeeping i cele de rezisten la înaintare i putere instalat la bord. De regul , glisoarele au gurn ascu it cu fund în V, iar unghiul înclin rii fundului în sec iune transversal cre te de la pupa spre prova (fig.1.39a) [3].

a)

b)

c)

d)

Fig.1.39 Tipuri de forme specifice navelor glisoare Exist i forme specifice cu fund curbat în V (fig.1.39b), care se caracterizeaz prin performan e hidrodinamice superioare i, în acela i timp,

- 46 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

prin suprasarcini hidrodinamice mai mici la deplasarea pe valuri. În mod evident, tehnologia de execu ie a unor astfel de forme este mai complicat . Pentru navele glisoare maritime este caracteristic i folosirea formelor combinate, cu gurn rotund la prova i ascu it la pupa (fig.1.39c). Trecerea de la formele rotunjite la cele ascu ite, se realizeaz începând cu sec iunile transversale situate în vecin tatea prova a sec iunii maestre. Este posibil i folosirea formelor cu V “invers” (de tip “sanie maritim ”, fig.1.39d), caracterizate printr-o stabilitate mare de drum, o performan satisf toare de rezisten la înaintare i jet de stropi mai redus. La toate formele constructive prezentate mai sus, se observ câteva tr turi caracteristice comune: unghiul înclin rii fundului în sec iunea transversal este variabil pe lungimea fundului i cre te de la pupa spre prova; pentru deflectarea jetului de stropi, îmbin rile dintre bordaj i fund trebuie s se fac dup o muchie cât mai pronun at , nerotunjit ; o alt solu ie practic , în special în zona prova, este aceea a unor redane longitudinale care deviaz jetul de stropi ce se formeaz la contactul fundului cu apa, reduc rezisten a de frecare i m resc performan ele de manevrabilitate ale navelor glisoare (redanele se ob in fie prin îndoirea înveli ului, fie prin aplicarea unor profile u oare pe corp, fig.1.40); pentru o glisare eficient , l imea gurnei trebuie s fie suficient de mare; în extremitatea prova, coastele se evazeaz deasupra gurnei, pentru a satisface necesarul de volum.

b

a

c

Fig.1.40 Nave glisoare cu redane longitudinale Un alt mijloc eficient de mic orare a rezisten ei la înaintare a navelor glisoare, la viteze mari, îl constituie folosirea redanelor transversale pe fund. Aceast solu ie constructiv permite ob inerea unor calit i hidrodinamice superioare la o sarcin specific redus pe fundul navei i de aceea se utilizeaz la alupele de concurs. Existen a redanului transversal produce o discontinuitate pe suprafa a fundului carenei i suprafa a udat se reduce mult.

- 47 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Suprafe ele ha urate din fig.1.41 reprezint por iunile imerse ale fundului în timpul glis rii.

Fig.1.41 Zonele imerse ale fundului în timpul glis rii În func ie de modul repartiz rii greut ii navei, deosebim urm toarele tipuri de glisoare cu redan [1]: aprovate (redanul preia cea mai mare parte a greut ii, iar pupa este suprafa de sprijin); apupate (pupa preia cea mai mare parte a greut ii, iar redanul este doar suprafa de sprijin); pe chil dreapt (sarcina se repartizeaz uniform pe cele dou suprafe e). În tabelul 1.7 sunt prezentate principalele caracteristici ale navelor glisoare cu un redan transversal. M rimile geometrice caracteristice sunt eviden iate în fig.1.42. Tipul glisorului cu un redan Redan în V i oglind plat Aprovat Pe chil Dreapt

Redan i oglind plate Redan i oglind plate Redan plat i oglind în V

Apupat

Redan i oglind în V Redan în V i oglind plat

L/B

CB

XG/L

XR/L

Lg/L

4,7…5,3 4…4,6 3,2…4

0,29…0,27 0,38…0,32 0,55…0,52

0,35…0,47 0,35…0,47 0,3…0,41

0,51 0,51 0,53

0,75 0,75 0,78

3,4…4,5 3,3…5,5

0,55…0,49 0,47…0,32

0,3…0,41 0,3…0,41

0,53 0,53

0,78 0,78

4…5,8

0,43…0,30

0,25…0,35

0,60

0,83

Tabelul 1.7 Principalele caracteristici ale navelor glisoare cu un redan transversal

- 48 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

Gurna

G

Gurna

.

XG XR Lg L

Fig.1.42 M rimi geometrice caracteristice navelor glisoare cu redan Distan a de la oglinda pupa la punctul de intersec ie al plutirii cu linia gurnei, Lg, trebuie s fie în limitele impuse în tabelul 1.7. În caz contrar, nava nu poate intra în regim de glisare. Spre prova acestui punct, linia gurnei trebuie s urce pentru a preveni formarea stropilor în mar ul cu vitez mic . Dac muchia gurnei este ascu it pe toat lungimea navei, unghiul redanului în plan transversal, r , va fi mai mare decât acela al oglinzii pupa, og (fig.1.43).

r

og

Fig.1.43 Unghiurile de înclinare transversal specifice oglinzii pupa i redanului Unghiul redanului în plan transversal variaz între limitele: 2,5 ...3,5 pentru glisoare mici; r 5 ...8,5 pentru glisoare medii; r 10 ...12 pentru glisoare mari (maritime). r Raportul dintre pescajul i l imea redanului Tr/Br se adopt între limitele (fig.1.44): Tr/Br = 0,095 … 0,1 pentru navele aprovate; Tr/Br = 0,08 … 0,13 pentru navele pe chil dreapt ; Tr/Br = 0,075 … 0,106 pentru navele apupate. - 49 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

Limita inferioar a raportului se adopt pentru glisoare mici, iar limita superioar pentru cele mari. De asemenea, în imea redanului la gurn hr este întotdeauna mai mare decât în planul diametral, pentru a se asigura o cantitate de aer suficient la redan. Pentru raportul hr/L se recomand urm toarele valori în planul diametral: hr/L = 0,008 … 0,01 pentru glisoarele mari; hr/L = 0,01 … 0,017 pentru glisoarele mici.

Fig.1.44 Pescajul (Tr), în

Tr

hr

Br/2

imea (hr) i semil imea redanului (Br/2)

În ceea ce prive te unghiul de atac al navei cu redan, el se adopt cu atât mai mic cu cât redanul este mai apropiat de prova, deoarece suprafa a de alunecare se lunge te în acest caz i implicit este necesar un unghi mai mic de asiet . Unghiul de atac are valori cuprinse între 2 … 5º pentru glisoare aprovate, 2 … 4º pentru glisoare pe chil dreapt i 2 … 3º pentru glisoare apupate. O nav cu redan se consider corect proiectat dac linia de plutire în timpul mar ului este paralel cu linia de plutire în sta ionare.

- 50 -

Particularit ile hidrodinamice ale proiect rii navelor mici .

.

1.3.2. Nave pe aripi portante 1.3.2.1. Particularit ile hidrodinamice ale aripilor portante Principiul de func ionare al aripii portante imerse în fluid de adâncime infinit nu difer de acela al aripii aeriane. La deplasarea unei aripi portante în ap , cu viteza v, sub un unghi de inciden , se creeaz o for portant dat de rela ia: Y

Cy

1 2

w

v 2 Sa

(1.31)

în care Cy este coeficientul for ei portante, iar Sa este aria suprafe ei aripii. For a portant apare ca urmare a diferen ei de presiune între suprafa a superioar (de suc iune) i suprafa a inferioar a aripii, condi ionat în conformitate cu ecua ia lui Bernoulli de diferen a dintre vitezele de curgere ale fluidului în vecin tatea celor dou suprafe e (fig.1.45).

v1>v0>v2 p1