Nave Mici

Particularitile hidrodinamice ale proiectrii navelor mici

. .

CUPRINS

1. TIPURI DE NAVE MICI. PRINCIPII CONSTRUCTIVE I FUNCIONALE................3

1.1. Clasificarea navelor mici......................................................................................3

1.1.1. Natura forelor de sustentaie.................................................................3

1.1.2. Stabilirea regimului de navigaie............................................................5

1.2. Nave n regim de deplasament............................................................................10

1.2.1. Nave propulsate cu motoare.................................................................10

1.2.1.1. Caracteristici constructive.....................................................10

1.2.1.2. Tendina actual i perspectivele proiectrii

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. Brci cu derivor......................................................................26

1.2.2.4. Veliere multicorp...................................................................29

1.3. Nave n regim de sustentaie................................................................................35

1.3.1. Nave glisoare.........................................................................................35

1.3.1.1. Formarea forelor hidrodinamice pe placa plan....................35

1.3.1.2. Ecuaiile 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. Particularitile hidrodinamice ale aripilor portante..............51

1.3.2.2. Cavitaia aripilor portante......................................................62

1.3.2.3. Ecuaiile de echilibru ale navei pe aripi portante...................65

1.3.2.4. Particularitile constructive ale aripilor portante..................67

1.3.3. Nave pe pern de aer.............................................................................73

1.3.3.1. Particularitile constructive ale navelor pe pern de aer.......73

1.3.3.2. Sustentaia cu camer de aer..................................................77

1.3.3.3. Sustentaia cu jet periferic......................................................80

1.3.3.4. Ecuaiile de form ale structurilor flexibile............................87

1.3.3.5. Extinderea conceptelor specifice navelor pe pern de

aer, la transportul pe distane mari..........................................91

1.3.4. Ecranoplane............................................................................................95

2. DETERMINAREA DIMENSIUNILOR PRINCIPALE I A

DEPLASAMENTULUI NAVELOR MICI.......................................................................100

2.1. Nave mici, n 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

3. DETERMINAREA REZISTENEI LA NAINTARE I A PUTERII DE

PROPULSIE A NAVELOR MICI.....................................................................................119

3.1. Nave mici, n regim de deplasament i n regim tranzitoriu................................119

3.2. Rezistena la naintare a glisoarelor.....................................................................136

3.3. Rezistena la naintare a navelor pe aripi portante...............................................141

3.4. Particularitile calculului rezistenei la naintare a navelor pe pern

de aer. Puterea total a instalaiei energetice.......................................................145

4. PROPULSOARE................................................................................................................150

4.1. Particularitile hidrodinamice ale elicelor navelor mici.....................................150

4.2. Alegerea numrului de pale i a raportului de disc..............................................153

4.3. Alegerea numrului de elice, a sensului de rotaie i a amplasrii n

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. Particularitile hidrodinamice ale crmelor navelor mici...................................169

5.2. Caracteristicile hidrodinamice ale corpului navei................................................182

5.3. Giraia navei.........................................................................................................187

5.4. Stabilitatea deplasrii navei pe drum drept..........................................................192

5.5. Forele i momentele hidrodinamice care acioneaz asupra crmei...................194

6. COMPORTAREA PE VALURI A NAVELOR MICI.......................................................199

6.1. Consideraii generale............................................................................................199

6.2. Particularitile comportrii 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...........................................................................2026.2.4. Nave pe pern de aer.........................................................................................203

TIPURI DE NAVE MICI. PRINCIPII CONSTRUCTIVE I

FUNCIONALE

1.1. Clasificarea navelor mici

1.1.1. Natura forelor de sustentaie

Navele mici se deosebesc de navele mari, clasice, prin dimensiuni principale mai reduse, destinaii diverse, comportare diferit n timpul navigaiei i raz de aciune mai mic.

n general, se consider c navele mici, fluviale sau maritime, au lungimi maxime de 60 m. n unele ri intr n aceast categorie navele cu lungimi de pn la 90 m [1].

Navele cu lungimea maxim cuprins ntre 30 40 m constituie partea cea mai important a flotei mondiale de nave mici, de mare vitez, care cuprinde att monocorpuri, ct i catamarane. Cercetri recente [2] demonstreaz c i navele trimaran pot deveni o soluie promitoare pentru transportul maritim de mare vitez.

Proprietatea unui corp de a se menine la un anumit nivel n masa unui fluid, prin mijloace adecvate, se numete sustentaie.

Natura forelor de sustentaie determin regimul de navigaie caracteristic navelor mici i tipurile principale de nave mici.

Echilibrul unei nave de deplasament este determinat de interaciunea forei de greutate cu fora de mpingere, de natur hidrostatic, care se manifest pe zonele imerse ale corpului. Alturi de forele hidrostatice se mai cunosc urmtoarele categorii de fore de sustentaie care acioneaz asupra corpului navei: fore hidrodinamice, fore aerostatice i fore aerodinamice [3].

Forele hidrodinamice de sustentaie cresc pe msura creterii vitezei navei i conduc la ieirea treptat a corpului din ap i la reducerea ariei suprafeei udate. Regimul de deplasare n care sustentaia navei este determinat, n principal, de forele hidrodinamice se numete regim de glisare.

Principalele tipuri de nave care opereaz n regim de glisare sunt: navele glisoare i navele pe aripi portante.

n cazul navelor glisoare, forele hidrodinamice de sustentaie se manifest direct pe corpul navei, care are o form special.

La navele pe aripi portante, forele hidrodinamice acioneaz pe aripile portante imerse.

n principiu, este posibil realizarea unor nave dup o schem combinat de sustentaie, care s permit existena forelor hidrodinamice de sustentaie alturi de cele hidrostatice datorate existenei unor gondole cu volum considerabil.

Forele aerostatice de sustentaie se folosesc la navele pe pern de aer. Sustentaia acestor nave se realizeaz pe seama presiunii ridicate din zona nchis a pernei de aer.

La navele amfibii, sustentaia se produce numai pe seama forelor aerostatice. Navele pe pern de aer cu perei laterali, rigizi, sunt nave cu principiu combinat de sustentaie. Zona pernei de aer este limitat la prova i pupa de o fust elastic. Pe pereii laterali rigizi apar fore de natur hidrostatic i hidrodinamic, care se adaug forelor aerostatice din perna de aer. Aceste nave se mai numesc i nave cu efect de suprafa (SES).

Forele aerodinamice de sustentaie se formeaz pe elementele portante aeriene i pe aripi. Aparatele care folosesc numai forele aerodinamice pentru sustentaie sunt hidroavioanele i ecranoplanele. Primele se deplaseaz la distan mare de suprafaa apei i sunt nzestrate cu dispozitive de amerizare care nlocuiesc trenul de aterizare i i permit s pluteasc pe ap. Ecranoplanele sunt aparate zburtoare care realizeaz efectul suprafeei de sprijin, deplasndu-se la o nlime mic fa de suprafaa apei. Ele se mai numesc i nave de concept WIG . n mod evident, n faza de ieire din ap corpul ecranoplanului se afl ntr-un regim tranzitoriu de glisare, caracterizat prin existena forelor hidrodinamice de sustentaie de pe aripa portant hidrodinamic, alturi de forele aerodinamice de sustentaie.

n fig.1.1 sunt prezentate schematic tipurile principale de nave mici, mpreun cu forele de sustentaie caracteristice. Liniile ntrerupte definesc forele secundare de sustentaie, de natur hidrostatic (forele de mpingere) care particip la schemele combinate de sustentaie, alturi de forele principale hidrodinamice sau aerostatice.

Destinaia navelor mici este extrem de divers. Navele mici pot fi utilizate ca ambarcaiuni de agrement sau turism, ambarcaiuni sportive pentru concursuri de vitez, ambarcaiuni de salvare, ambarcaiuni de serviciu aflate n dotarea administraiilor portuare, nave de patrulare, nave de intervenie, nave de transport maritim rapid n ariile costale aglomerate etc.

Din punctul de vedere al asigurrii propulsiei, navele mici pot fi: nave cu motor, nave cu vele i nave mixte (cu vele i motor). Motorul de propulsie poate fi situat n interiorul corpului, sau poate fi montat n 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 n form de Z.

Fig.1.1 Tipurile principale de nave mici i forele de

sustentaie caracteristice

1.1.2. Stabilirea regimului de navigaie

O prim etap important a proiectrii navelor cu motor o constituie stabilirea regimului de navigaie, de care depinde, n prim aproximaie, adoptarea unor mrimi fizice eseniale, cum ar fi: dimensiunile principale, deplasamentul, viteza impus, rezistena la naintare i puterea instalat.

Regimul de navigaie poate fi apreciat n funcie de valoarea numrului Froude, , definit cu relaia:

(1.1)

n care v este viteza navei n [m/s], este deplasamentul volumetric n [m3], iar g este acceleraia gravitaional n [m/s2].

Dac , nava se afl n regim de deplasament.

Dac , nava se afl n regim de glisare.

Pentru , nava se afl n regim de tranziie, caracterizat printr-o anumit modificare a pescajului i asietei navei.

Rezistena la naintare depinde de regimul deplasrii navei. O trstur caracteristic important a navelor mici aflate n regim de deplasament o constituie rezistena la naintare specific (rezistena la naintare pe tona de deplasament) care este mult mai mare, n comparaie cu aceea a navelor comerciale clasice.

n practica proiectrii navelor mici, pentru determinarea regimului de navigaie se folosete numrul Taylor, , definit cu relaia:

(1.2)

n care v este viteza navei n [km/h], iar LWL este lungimea navei la plutire,

n [m]. Cu ajutorul diagramei lui Bhme, prezentat n fig.1.2, se poate stabili regimul de navigaie n funcie de numrul Taylor. Dac , nava se afl n regim de deplasament. Dac , nava se afl n regim de glisare. Dac , nava cu forme rotunde se afl n regim de tranziie, iar dac atunci nava cu forme ascuite se caracterizeaz prin nceperea glisrii.

Fig.1.2 Diagrama lui Bhme

Rezistena la naintare a navelor mici depinde de formele corpului.

Rezultatele testelor experimentale efectuate pe modele cu forme rotunde (U) i cu forme ascuite (V) sugereaz faptul c pn la o valoare a numrului Taylor apropiat de 12, carenele cu forme rotunde prezint o rezisten la naintare mai mic dect carenele cu forme ascuite (fig.1.3). Peste aceast valoare a numrului Taylor formele ascuite devin mai economice.

n practic, se poate folosi i diagrama din fig.1.4 pentru alegerea tipului de forme (U sau V) n funcie de viteza i lungimea navei. Diagrama se refer strict la carenele de tip U i V din figurile 1.5 i respectiv 1.6, a cror rezisten la naintare a fost determinat pe modele experimentale i prezentat n fig.1.3.

Fig.1.3 Dependena rezistenei la naintare de formele carenei, de

numrul Taylor i de raportul

Fig.1.4 Alegerea tipului de forme

Fig.1.5 Carena cu forme rotunde (U)

Fig.1.6 Carena cu forme ascuite (V)

Navele mici se caracterizeaz prin dimensiuni principale, rapoarte ntre dimensiuni i coeficieni de finee care difer semnificativ fa de mrimile similare specifice navelor clasice.

n tabelul 1.1 sunt furnizate valorile caracteristice ale rapoartelor ntre dimensiuni (LWL/B, B/T) i ale coeficienilor de finee, pentru cteva tipuri de nave mici.

S-au folosit notaiile standard: B limea navei, T pescajul navei, CB coeficientul de finee bloc, CW coeficientul de finee al suprafeei plutirii, CM coeficientul de finee al seciunii maestre imerse i CP coeficientul de finee prismatic longitudinal.

Tipul navei

CBCWCMCP

Iahturi pentru navi-gaie interioar2,2-4,04,0-5,00,31-0,360,72-0,780,59-0,640,52-0,56

Iahturi maritime2,2-3,62,5-3,030,30-0,340,62-0,700,52-0,570,55-0,61

Nave mici de deplasament, deschi-se, pentru navigaie interioar3,6-5,15-5,880,40-0,450,61-0,760,68-0,750,66-0,70

Nave mici de depla-sament, cu cabine, pentru navigaie inte-rioar3,3-4,34,17-6,670,40-0,490,74-0,790,68-0,760,60-0,69

Nave mici de de-

plasament maritime, cu cabine3,3-4,43,23-5,880,35-0,460,73-0,780,63-0,740,56-0,68

Ambarcaiuni gli-soare deschise, pen-tru navigaie interi-oar2,8-3,57,14-8,330,49-0,530,73-0,790,70-0,780,63-0,73

Nave mici glisoare cu cabine, pentru navi-gaie interioar3,0-3,56,45-8,330,49-0,530,75-0,800,72-0,850,70-0,75

Nave mici glisoare cu cabine, maritime2,7-3,25,88-6,670,38-0,480,74-0,790,60-0,710,68-0,72

Tabelul 1.1 Valori caracteristice pentru rapoarte ntre

dimensiuni i coeficieni de finee

O alt caracteristic important a navelor mici o constituie comportarea diferit pe valuri, fa de aceea a navelor clasice. Navele mici execut micri de ruliu i de tangaj cu perioade mici de oscilaie (micri dure). La navigaia pe valuri, primesc ocuri puternice, care se transmit asupra ntregului corp. Din aceste motive, analiza calitilor de seakeeping constituie o etap important a proiectrii navelor mici, cu efecte directe asupra strii de confort a echipajului i pasagerilor.

n continuare, vor fi analizate principiile constructive i funcionale precum i tendinele actuale legate de evoluia principalelor tipuri de nave prezentate n capitolul introductiv.

1.2. Nave n 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: brci cu motor cu lungimi de pn la 5 m, alupe cu lungimi cuprinse ntre 5 8m, dar i nave de patrulare i de intervenie sau nave de transport maritim rapid, de tip feribot, cu lungimi de

40 50m, care opereaz n zone costale aglomerate.

n mod obinuit, la proiectarea navelor mici, lungimea la plutire rezult din condiii de funcionalitate, amplasndu-se pe corpul navei toate compartimentele care asigur ndeplinirea condiiilor impuse prin destinaia navei. Astfel, se stabilesc lungimile picurilor prova i pupa, lungimea cabinelor, lungimea salonului, lungimea compartimentului de maini i a tancurilor de combustibil etc. Prin nsumarea tuturor lungimilor necesare se obine lungimea total minim.

O informaie preliminar legat de limea navei este furnizat prin intermediul diagramei din fig. 1.7, n funcie de viteza navei i de volumul carenei. Astfel, n zona A toate navele vor avea o lime mic indiferent de volumul carenei navei. n zona B-stnga, caracteristic deplasamentelor foarte mici, navele vor avea limi mici, iar n zona B-dreapta limile mari devin mai avantajoase pentru deplasamente mai mari.

n zonele C i D, specifice vitezelor mari, limea navei nu mai constituie un parametru restrictiv.

Fig.1.7 Alegerea limii navelor mici

Dup cum s-a putut observa din tabelul 1.1, rapoartele ntre dimensiuni LWL/B i B/T pot varia ntre limite destul de largi, n funcie de destinaia navei. Cu ct raportul LWL/B este mai mare, cu att nava va fi mai rapid. Viteza navei este influenat i de deplasamentul volumetric relativ, definit prin raportul . Aceast dependen se poate observa n fig.1.3.

Raportul B/T influeneaz stabilitatea transversal, stabilitatea de drum i viteza navei. Creterea raportului mrete stabilitatea transversal, dar mrete rezistena la naintare i micoreaz stabilitatea de drum. Pentru a mbunti stabilitatea de drum se poate aduga un derivor n planul diametral, care mrete suprafaa de deriv, dar introduce i o component suplimentar de rezisten la naintare.

La navele clasice, nlimea de construcie, D, este determinat din considerente de rezisten longitudinal, care sunt ntotdeauna asigurate la navele de mici dimensiuni. De aceea, n cazul acestor nave, nlimea de construcie se adopt n funcie de destinaia navei i dimensiunile de gabarit ale motorului. De exemplu, pentru ambarcaiunile cu destinaie turistic, nlimea de construcie se determin dup ce s-au stabilit nlimile ncperilor situate sub punte, verificndu-se dac spaiul prevzut pentru amplasarea motorului permite transportul i montarea acestuia i accesul mecanicilor pentru supraveghere, ntreinere sau reparaii.

Navele mici, destinate navigaiei interioare, trebuie prevzute cu un bord liber minim, n conformitate cu cerinele societilor de clasificare.

Problema adoptrii dimensiunilor principale a navelor mici poate depinde i de existena unor restricii portuare de manevrabilitate i ancorare, care pot limita lungimea, limea i pescajul.

Mrimile navelor mici, de mare vitez, au crescut n ultimele dou decenii la valori care par s se apropie de posibilitile maxime ale tehnologiilor actuale, sau ale viitorului apropiat [2]. Cerinele cele mai frecvente n privina dimensiunilor principale ale navelor mici sunt limitate la 50 m pentru lungimea maxim i 12 m pentru limea maxim.

O problem important, care influeneaz comportarea navei mici n regim de navigaie, o constituie asieta. Este de dorit ca asieta navei n mar s fie apropiat de asieta de staionare, iar unghiul de asiet s fie cuprins ntre 25. O asiet mai pronunat conduce la creterea rezistenei la naintare.

Asieta depinde de abscisa centrului de greutate al navei, xG, de formele extremitilor, de coeficientul de finee al suprafeei plutirii i de abscisa centrului plutirii de calcul, xF.

Pentru navele mici cu forme fine la extremiti i forme pline n zona seciunii maestre, probabilitatea realizrii unor asiete pronunate n mar se mrete. Pentru a limita apuparea i a obine un unghi de asiet corespunztor, trebuie s se deplaseze centrul plutirii de calcul spre pupa i s se mreasc coeficientul de finee al suprafeei plutirii.

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

Fig.1.8 Elemente geometrice ale oglinzii pupa

Pentru o asiet corespunztoare se urmrete ca raportul Tog/T s fie mai apropiat de unitate, iar unghiul s fie mai mic. La viteze foarte mari, unghiul tinde s se anuleze. Pentru c acest fapt conduce la reducerea stabilitii de drum, navele mici de mare vitez, cu forme n V, se construiesc cu un anumit unghi de nclinare a gurnei, , constant pe toat lungimea fundului.

Proiectarea formelor extremitilor navelor mici reprezint o problem dificil.

Unghiul de intrare a liniei de plutire, msurat ntre urma planului diametral i tangenta la linia de plutire n extremitatea prova, trebuie s fie ct mai mic i are, de obicei, valori cuprinse ntre 12 20.

Unghiul de intrare a liniei de plutire condiioneaz forma acesteia, care trebuie s aib o concavitate pronunat pentru a se racorda la limea maxim, pe o distan relativ scurt. n scopul de a mri rezerva de flotabilitate la prova, pentru formele seciunii transversale se adopt fie soluia formelor rotunde, concave (fig.1.9a), fie aceea a formelor n V (fig.1.9b) dezvoltate deasupra plutirii de calcul.

Forma etravei n planul longitudinal determin lungimea maxim a navei. O form des utilizat care mrete i rezerva de flotabilitate este prezentat n fig. 1.10.

Exist o mare varietate de forme folosite la construcia extremitii pupa. Pupa oglind este justificat de necesitatea de a ctiga spaiul necesar amenajrilor sub punte. Pentru adoptarea parametrilor i (specifici oglinzii pupa) se recomand diagramele din figurile 1.11 i 1.12.

Fig.1.9 Forme specifice seciunilor transversale prova ale

navelor mici

Fig.1.10 Form tipic a liniei etravei

Din fig.1.11 rezult c pentru numere Taylor mai mari dect 7, coasta extrem din pupa (sau oglinda) nu are nclinare n plan transversal. Observaia este valabil numai pentru navele cu forme rotunde. Pentru navele cu forme n V, de mare vitez, trebuie s se adopte o anumit nclinare transversal , care se pstreaz constant pe toat lungimea fundului , pentru a mri stabilitatea de drum.

Din fig.1.12 rezult c pentru numere Taylor mai mari ca 15, pescajul oglinzii pupa devine egal cu pescajul navei. n consecin, de la jumtatea lungimii navei spre pupa, linia fundului navei este o dreapt.

Pentru navele cu vitez mai mic, raportul devine subunitar, iar linia fundului este o curb cu concavitatea orientat n sus.

Fig.1.11 Variaia unghiului nclinrii Fig.1.12 Variaia pescajului

oglinzii pupa, n funcie de oglinzii pupa, n funcie

numrul Taylor de numrul Taylor

1.2.1.2. Tendina actual i perspectivele proiectrii navelor de transport, de mare vitez

Tendina actual privind proiectarea monocorpurilor de vitez, aflate n regim de deplasament, const n utilizarea formelor V pronunate la prova, cu gurn ascuit i unghiuri mici de nlare a gurnei, . n zona pupa se contureaz fundul aproape plat, linia fundului este o dreapt, iar plutirile prezint o descretere uoar a semilimilor de la seciunea maestr spre pupa oglind.

n 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 n tabelul 1.2 [2]. Navele cu astfel de forme sunt foarte simple, ieftine din punctul de vedere al construciei i ntreinerii i foarte uor de manevrat n zone restrictive. Monocorpurile determin cele mai reduse dimensiuni principale pentru un numr de pasageri dat, n comparaie cu navele multicorp.

Amenajarea punii pasagerilor i compartimentarea vertical este influenat de configuraia corpului navei. Datorit dimensiunilor principale minime, nava monocorp din fig.1.13 are dou puni pentru zona cabinelor i pasagerilor.

Timpul pentru ambarcarea i debarcarea pasagerilor este mai mare, iar sigurana transportului este mai mic, n comparaie cu o nav feribot de tip catamaran, ale crei caracteristici sunt prezentate tot n tabelul 1.2.

Fig.1.13 Transversalul planului de forme al

unui monocorp de vitez

Mrimea caracteristicMonocorpCatamaranTrimaran

(proiect)

Lungimea maxim, Lmax[m]43,040,047,7

Lungimea la plutire, LWL[m]36,935,8746,94

Limea maxim, Bmax[m]7,5011,3311,70

Pescajul, T[m]1,171,581,67

Deplasamentul, [t]137,0137,0129,0

Puterea instalat, P[kW]4388,04455,0

Autonomia, A[mile marine]420420420

Numrul de pasageri350350350

Viteza de croazier [noduri]353535

Aria punii suprastructurii [m2]280332315

Tabelul 1.2 Mrimile caracteristice ale unor nave mici,

rapide, de tip feribot (monocorp i multicorp)

Au fost studiate, n timp, numerose forme pentru corpurile catamaranelor: cu gurn rotund, cu gurn ascuit, cu tietur. Cele mai recente cercetri au artat c formele dublu simetrice (babord-tribord i prova-pupa) sunt cele mai convenabile pentru reducerea rezistenei la naintare a catamaranelor, avnd rapoartele ntre dimensiunile principale ale unui corp L/B i B/T cuprinse ntre 9 12 i respectiv 2 4.

n fig.1.14a este exemplificat transversalul planului de forme al unui corp simetric de catamaran, cu gurn ascuit. n fig.1.14b este evideniat un corp simetric cu gurn tiat.

Din punctul de vedere al amenajrii punii pasagerilor, cea mai mare parte a locurilor pasagerilor se afl la acelai nivel, iar transferul pasagerilor se face mai rapid. Sigurana general a transportului este mai mare dect n cazul navelor monocorp.

Fig.1.14 Tranversalul planului de forme al unui

corp simetric de catamaran

a) cu gurn ascuit;

b) cu gurn tiat.

Tendina actual care se manifest n concepia i proiectarea navelor mici, rapide, de tip feribot, este aceea a utilizrii trimaranului. Configuraia acestuia se bazeaz pe folosirea unui corp principal foarte zvelt, legat de dou corpuri laterale care asigur stabilitatea transversal i mresc aria punii pasagerilor. Volumul imers al corpurilor laterale reprezint circa 8% din volumul total imers al trimaranului. Acest procent realizeaz un bun compromis ntre rezistena la naintare optim i stabilitatea transversal adecvat. Dei au rapoarte L/B diferite, att corpul principal ct i corpurile laterale au forme cu gurn rotund i pup dreapt, potrivite pentru scopurile urmrite. Corpurile laterale sunt simetrice pupa-prova i babord-tribord, aa cum se poate observa din fig.1.15.

Caracteristicile principale ale proiectului trimaranului sunt prezentate, de asemenea, n tabelul 1.2.

Poziia longitudinal i transversal optim a corpurilor laterale este influenat de numeroi factori. Pentru un domeniu dat al numerelor Froude, interferena favorabil dintre corpuri poate fi obinut modificnd corespunztor poziia longitudinal a corpurilor laterale fa de corpul principal. Poziia transversal optim a corpurilor laterale depinde de restriciile legate de limea maxim a trimaranului.

Din punctul de vedere al amenajrii punii pasagerilor, locurile acestora sunt dispuse n zona de confort i siguran sporit, evitndu-se zona din prova navei. Un avantaj al trimaranului, n raport cu catamaranul, l constituie suprafaa sporit a punii suprastructurii, destinat pasagerilor. n fig.1.16, 1.17 i 1.18 sunt schiate amenajrile punilor navelor rapide de transport, de tip feribot, ale cror caracteristici sunt prezentate n tabelul 1.2.

Fig.1.15 Forme specifice pentru configuraii de trimaran:

a) corp principal cu gurn rotund i pup dreapt;

b) corp lateral simetric, cu seciune transversal dreapt la extremiti;

c) corp lateral simetric, cu gurn rotund la extremiti.

Una dintre performanele cele mai solicitate pentru navele de transport mici, o constituie viteza de regim. Navele de transport de tip feribot, prezentate n tabelul 1.1, ating o vitez de croazier de circa 35 noduri. Pentru obinerea unei astfel de viteze trebuie s se acorde o atenie deosebit performanelor de rezisten la naintare, propulsie i comportare pe valuri (seakeeping), precum i greutii corpului.

Pentru optimizarea rezistenei la naintare este necesar determinarea valorilor fiecrei componente de rezisten. Influena fiecrei componente asupra rezistenei totale difer i depinde de domeniul numrului Froude i de tipul formelor.

Optimizarea rezistenei la naintare este un proces iterativ, teoretico-experimental, iar validarea soluiilor se realizeaz cu ajutorul testelor experimentale pe model desfurate n bazinele de ncercri hidrodinamice.

n fig.1.19 se prezint curbele de variaie ale rezistenei la naintare n funcie de vitez, pentru navele: monocorp, catamaran i trimaran (fr apendici).

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

Fig.1.16 Amenajarea punilor navei monocorp, de tip feribot

Mainile de propulsie utilizate pentru a genera puterea necesar la bordul navelor analizate mai sus sunt motoarele Diesel, iar mpingerea este furnizat de propulsoare cu jet. i propulsoarele azimutale pot constitui o soluie optim pentru aceste tipuri de nave mici, rapide, de transport.

Ambele tipuri de propulsoare asigur i performane de manevrabilitate optime, la orice vitez.

n prezent, orice tip de nav de mare vitez pentru transportul pasagerilor are, n general, un standard foarte nalt de cazare i confort care trebuie meninut pe ct posibil n orice condiii de navigaie. Pe de alt parte, n anumite situaii, armatorii pot solicita ca navele s realizeze performana de vitez dorit, pn la

o anumit stare a mrii. Aceste cerine sunt legate n mod direct de performanele de seakeeping ale navelor, care la rndul lor influeneaz alte aspecte ale proiectrii, cum ar fi: amenajrile navei, stabilirea zonelor de cazare a pasagerilor, eantionajul etc.

Fig.1.17 Amenajarea punilor navei catamaran, de tip feribot

Fig.1.18 Amenajarea punilor navei trimaran, de tip feribot

Forele hidrodinamice generate de aciunea valurilor pot determina modificri importante ale structurii sau chiar ale formelor corpului.

Formele, uneori neconvenionale, ale navelor mici, rapide, ridic i alte probleme de seakeeping. Navele multicorp se confrunt, de exemplu, cu problematica interferenei dintre corpuri, iar stabilizarea micrilor cu aripi active constituie o metod practic i eficient de mbuntire a peformanelor de seakeeping, deoarece vitezele mari furnizeaz fore de portan capabile s controleze micrile nedorite ale navei.

Performanele stabilitii intacte i de avarie sunt foarte importante pentru sigurana navelor mici, rapide, care prezint caracteristici diferite de stabilitate fa de navele clasice i necesit reguli i criterii noi privind sigurana transportului.

Din punctul de vedere al stabilitii, configuraiile multicorp sunt preferabile celor monocorp. Spaiile de cazare pentru pasagerii navelor multicorp sunt dispuse deasupra punii de bord liber, rmnnd volume disponibile care conduc la creterea flotabilitii. De asemenea, puntea suprastructurii mai cobort, cota centrului de greutate mai mic i centrul velic mai cobort, uureaz posibilitatea de a satisface criteriile de stabilitate.

Regulile de eantionare ale Societilor de clasificare prevd cerine structurale distincte pentru navele mici.

Pentru ndeplinirea performanei de vitez de croazier la navele mici, rapide, se remarc tendina de a se reduce greutatea corpului, pe seama utilizrii unor materiale de construcie uoare, cum ar fi aluminiul i materialele compozite.

Materialele compozite sunt nc puin utilizate, datorit rezistenei reduse la foc, fapt care limiteaz zonele operative impuse de Societile de clasificare.

Aluminiul este utilizat pe scar larg, datorit calitilor mecanice i elastice superioare i tehnologiilor sigure de fabricaie a corpurilor navelor.

n concluzie, au fost structurate principalele direcii privind viitorul proiectrii navelor mici, de mare vitez, propulsate cu motoare, dei numeroase componente de proiectare sunt, nc, subiecte de cercetare avansat.

Dei monocorpurile au dimensiuni mai reduse, multicorpurile aduc o serie de avantaje care au fost evideniate mai sus.

Pe msura acumulrii cunotinelor 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.

Fig.1.19 Variaia rezistenei totale la naintare, Rt, n funcie de

viteza navei, pentru monocorp, catamaran i trimaran

1.2.2. Veliere

1.2.2.1. Clasificarea velierelor

Dac ne referim la destinaia velierelor, acestea se mpart n veliere de concurs, de croazier-concurs, de croazier (turistice) i de agrement.

Dup modul de contrabalansare a nclinrii i a derivei din timpul marului cu vele, deosebim trei tipuri principale [4]:

iahturi cu chil, la care momentul de redresare este produs n principal de lest, iar antideriva se datoreaz chilei-derivor;

brci cu derivor, la care momentul de redresare se realizeaz prin efectul combinat al stabilitii de form i deplasrii echipajului n bordul din vnt, iar fora transversal cu ajutorul derivorului retractabil;

veliere multicorp, cu stabilitate transversal iniial mare datorit corpurilor laterale distanate, fora transversal fiind generat fie de corpuri, fie de un derivor amplasat n zona chilei sau derivoare aezate n borduri.

Dac ne referim la greement, n funcie de numrul de catarge i de vele, deosebim urmtoarele 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 n pupa axului crmei i poart o vel cu suprafaa de 10 12% din suprafaa velaturii totale);

katch, nav cu dou catarge, cu vela din pupa amplasat n prova axului crmei i avnd o suprafa de 20 25% din suprafaa velaturii totale;

goelet, nav cu dou sau mai multe catarge cu velatur latin (la goeleta cu dou catarge, vela de pe catargul prova are suprafaa mai mare dect vela pupa).

Velierele de concurs se mpart pe clase, conform regulilor de clasificare sportiv. Sunt cuprinse n aceeai clas veliere apropiate, sau comparabile sub aspectul calitilor de mar.

Majoritatea iahturilor moderne de concurs i a brcilor cu derivor fac parte din clasa navelor monotip. Ele se construiesc dup desene identice, respectndu-se strict regulile de construcie i msurare care le asigur identitatea formei corpului, a dimensiunilor velelor i a caracteristicilor de greutate pentru fiecare clas.

Velierele din clasele libere au restricii mai puin severe. De obicei, pentru acestea se limiteaz dimensiunile principale, suprafaa velaturii, unele elemente de compartimentare a corpului i dimensiunile elementelor principale de osatur. Constructorul are libertatea de a-i alege formele i elementele de rigidizare.

n tabelul 1.3 sunt prezentate dimensiunile orientative ale iahturilor de croazier-concurs, din clasele n tone.

Clasa

iahtului

[tone]Coeficientul de concurs IORLungimeaLimea

[m]Deplasa-mentul

[t]Aria suprafe-ei vela-turii[m2]

[picioare][m]maxim

[m]la plutire

[m]

Miniton16,55,036,552,31,218

185,57,65,82,61,824

21,76,69,26,92,93,335

24,57,4710,47,83,24,845

127,58,3811,48,73,56,858

2329,7512,810,23,89,573

Tabelul 1.3 Dimensiunile orientative ale iahturilor de

croazier-concurs

n continuare, vor fi prezentate principalele caracteristici i amenajri ale unor veliere de tip iaht, barc cu derivor i multicorp.

1.2.2.2. Iahturi

n funcie de amplasarea i modul de fixare a chilei, iahturile se mpart n trei grupe:

cu o singur chil fixat n planul diametral;

cu dou chile de gurn;

cu partea inferioar retractabil.

Iahturile cu o singur chil sunt cele mai rspndite. 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 suprafeei de deriv este 1/5 din aria suprafeei velaturii, iar n cazul chilei-derivor raportul este 1/12.

n fig.1.20 este prezentat iahtul miniton Revolver. Corpul iahtului se toarn n matrie realizate pentru fiecare bord. mbinarea bordurilor n planul diametral este ntrit cu fii din fibr de sticl. Seciile bordului i punii, precum i traversele i coastele sunt mbinate cu uruburi. Derivorul se fixeaz cu prezoane. Grosimea nveliului din fibr de sticl este de minim 4 mm, pentru o mas a corpului de 300 320 Kg. Pentru cabine, grosimea nveliului din fibr de sticl este de 3 mm.

Arborada este realizat din profil de aluminiu tras.

Iahtul prezentat are cele mai bune caliti de navigaie la vnt cu viteza de 7 m/s, dar este competitiv i pe vnt mai puternic (pn la 14 m/s). Pe timp de noapte, pot dormi trei persoane n 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 ntre iahturi i brci cu derivor i se utilizeaz mai ales n rile cu ieire la mri i oceane.

Adncimile variabile din zonele cu flux i reflux, vntul i valurile puternice, impun necesitatea construirii unor iahturi cu pescaj limitat i cu caliti de seakeeping ridicate, care s se foloseasc n zone cu adncime limitat.

n 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 secii turnate separat. n borduri se prevd gofre, pentru mrirea rigiditii nveliului. Sectorul derivorului metalic trece prin chila fals din oel. Crma cu pan retractabil este suspendat pe oglinda pupa. Pentru montarea motorului amovibil, pe oglinda pupa este prevzut un suport care permite ridicarea motorului deasupra apei n cazul navigaiei cu vele.

Fig.1.21 Iaht cu partea inferioar retractabil

Iahtul are perei transversali etani care separ picurile prova i pupa. Pe varange sunt prevzute panouri cu saltele, care servesc ca locuri de dormit pentru dou persoane. Pontilul susine acoperiul cabinei n locul de montare a catargului i servete la fixarea masei rabatabile. Catargul este confecionat din aliaj uor i este articulat la partea inferioar.

Nescufundabilitatea iahtului este asigurat de cele dou compartimenete etane i de spuma poliuretanic care umple prova corpului sub linia de plutire. Iahtul plutete pe chil dreapt i i menine stabilitatea cu cabina total inundat. Iahtul poate naviga pe vnt de 4 5 Beaufort.

n 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 lime moderat. Cele mai bune caliti de navigaie se manifest pe durata marului n band, cnd una dintre chile ocup o poziie apropiat de cea vertical. Pe chil dreapt i vnt slab datorit suprafeei udate mari, iahtul este mult mai lent dect alte veliere comparabile.

Cabina spaioas i nalt ofer posibiliti corespunztoare de amenajare. Sunt prevzute cinci locuri de dormit (n picul prova i n cabin).

Fig.1.22 Iaht cu dou chile de gurn

Cabina are buctria n tribord (echipat cu aragaz, chiuvet, dulap frigorific) i o msu cu o canapea n babord. De asemenea, n pupa-tribord, cabina este prevzut cu un grup sanitar i un dulap pentru mbrcminte. Motorul Diesel de 25 C.P. compenseaz viteza mic a iahtului pe vnt slab.

1.2.2.3. Brci cu derivor

n funcie de destinaie i construcie, brcile cu derivor se mpart n brci de concurs, de croazier i de agrement.

Majoritatea brcilor cu derivor pentru concurs, fac parte din clasele monotip.

Brcile de croazier sunt proiectate pentru cltorii de lung durat. Confortul lor este mai modest n comparaie cu cel al iahturilor cu chil, corespondente.

Brcile de agrement au corpul fr cabin, deschis sau puntit n prova i se preteaz la remorcare auto i chiar la transport pe portbagajul auto.

Caracteristicile unor brci cu derivor sunt prezentate n tabelul 1.4.

CaracteristicaT-69SKATMIROR

Lungimea maxim [m]76,9953,3

Lungimea la plutire [m]662,7

Limea maxim [m]2,42,71,4

Limea la plutire [m]21,95-

Pescajul corpului [m]0,250,250,2

Pescajul cu derivor [m]1,51,351

nlimea de construcie:

- la prova [m]0,830,82-

- la seciunea maestr [m]0,710,70.

- la pupa [m]0,600,60-

Deplasamentul [t]1,070,8850,6

Aria suprafeei velaturii [m2]-206,1

Tabelul 1.4 Caracteristicile unor brci cu derivor.

n funcie de dimensiuni, brcile cu derivor se deplaseaz n zone de navigaie interioare, cu ieire la zonele de litoral marin nvecinat.

Din punct de vedere constructiv, sub aspectul instalrii derivorului, deosebim brci cu derivor tip cuit (care se introduce n puul derivorului) i cu derivoare rotative (rabatabile).

Derivoarele de tip cuit sunt mai simple din punct de vedere constructiv, dar mai puin sigure, deoarece ocurile provocate de aciunea apei pot conduce la distrugerea derivorului i a corpului.

Derivoarele rotative laterale sunt mai sigure, dar au o construcie mai complicat i ocup un volum mai mare din corp, fiind folosite n principal la brcile de croazier.

De obicei, aria medie a suprafeelor derivorului reprezint 1/25 din aria suprafeei velaturii. La derivoarele profilate acest raport este 1/40, iar la cele metalice, compuse din sectoare, este 1/20.

Masa derivorului nu influeneaz mult stabilitatea navei. La alegerea materialului derivorului se are n vedere asigurarea rezistenei sale structurale. Derivoarele se construiesc din oel, aliaje uoare i lemn. n locul derivorului se poate folosi o chil grea, retractabil, numai dac masa derivorului reprezint peste 25% din deplasament.

Brcile cu derivor pentru croazier, din clasa T, se folosesc pentru curse de lung durat. Ele au performane bune de seakeeping. Tehnologia de construcie se bazeaz pe utilizarea nveliului din ipci, sau din placaj, navele avnd gurn rotund, sau ascuit.

Barca cu derivor SKAT, prezentat n fig.1.23, are seciunea transversal de form trapezoidal, cu evazarea mrit a bordurilor, pentru mbuntirea stabilitii transversale. Este tot o barc din clasa T.

Fig.1.23 Barca cu derivor SKAT

Stabilitatea static a brcii cu derivor se mrete suplimentar cu ajutorul lestului metalic fixat n interiorul corpului, n zona chilei.

nveliul din placaj rezistent la ap este ntrit de osatura longitudinal din ipci de pin, care se reazem pe opt cadre transversale.

Din osatura longitudinal mai fac parte i stringherii ntrii pe liniile gurnelor i pe chila navei.

Compartimentarea raional permite amenajarea a cinci locuri de dormit (dou n picul prova i trei n cabin). Barca este greeat n sloop i deservit cu echipaj redus pe durata voiajelor lungi.

Barca cu derivor Miror poate fi folosit pentru plimbri cu familia (fig.1.24). Se evideniaz printr-o bun stabilitate, datorit limii mari i formelor prova teite mpreun cu etrava. Se comport foarte bine pe valuri (urc pe valuri), avnd gurna ridicat mult n prova i forme n V pronunate. Barca poate fi propulsat cu vele, cu vsle 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 n aceast grup (catamaranele, trimaranele i velierele cu flotor) se evideniaz prin numrul de corpuri, rapoartele ntre dimensiuni i particularitile de exploatare.

Catamaranele au dou corpuri identice ca dimensiuni i forme, cuplate prin legturi transversale. Trimaranele sunt alctuite dintr-un corp principal i dou corpuri laterale. Velierele cu flotor sunt mai puin cunoscute i se mai numesc i veliere proa. Flotorul se amplaseaz permanent n bordul din vnt, sau n cel de sub vnt, al corpului principal. Velierele proa cu flotorul n vnt se mai numesc proa de Pacific, sau proa zburtor. Flotorul lateral joac rol de contragreutate i asigur echilibrul navei pe vnt puternic. Velierele proa cu flotorul n bordul de sub vnt se mai numesc proa de Atlantic, iar flotorul creeaz un moment de redresare suplimentar datorat forelor de mpingere 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, n variant demontabil, fapt care simplific problema transportului.

Caracteristicile principale ale unor veliere de tip catamaran sunt prezentate n tabelul 1.5.

CaracteristicaHEWCATGAUIALEBEDCAPITAN

VILLIS

Lungimea maxim [m]5,48,515,211,0

Lungimea la plutire [m]5-12,59,05

Limea total [m]3,45,66,04,3

Limea corpului la plutire [m]0,580,70,780,56

Pescajul corpului [m]0,250,60,620,49

Pescajul cu derivor [m]1,0---

Deplasamentul [t]0,82,55,72,2

Aria suprafeei velaturii [m2]223610654,4

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 n cursele pe distane olimpice. Ca nav de croazier, catamaranul este sub nivelul trimaranului, n ceea ce privete 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 spaii de dormit, buctrie cu aragaz i chiuvet i grup sanitar.

Suprastructura cu forme aerodinamice nu creeaz rezisten la naintare mare. Corpurile sunt executate din fibr de sticl. Pentru traversa prova s-a folosit un profil tubular cu seciune aerodinamic. Celelalte legturi transversale sunt executate din placaj i acoperite cu fibr de sticl.

Fig.1.25. Velierele catamaran HEWCAT (n stnga) i GAUIA (n dreapta)

Fora transversal de antideriv este produs de derivoarele laterale, montate n bordurile exterioare ale ambelor corpuri. Velierul Hewcat poate dezvolta o vitez de pn la 10 noduri, pe vnt de 5 Beaufort i valuri moderate.

Catamaranul GAUIA (fig.1.25) are patru cabine cu cte dou locuri, amenajate pe corpurile laterale. Realizeaz voiaje maritime lungi. Nu are derivoare. Fora transversal de antideriv este realizat de partea imers a corpurilor i de crmele cu alungire mare.

Catamaranul LEBED (fig.1.26) are zon nelimitat de navigaie i un echipaj de ase persoane. Corpurile foarte alungite i nguste sunt cuplate cu traverse puternice i cu o grind aerodinamic n prova.

Corpurile cu form de arip n seciunea transversal, cu bordurile exterioare plane i bordurile interioare convexe, creeaz fora transversal care asigur urcarea n vnt, la un unghi de pn la 35 fr derivoare. Velatura eficient permite atingerea unei viteze maxime de 20 noduri.

Fig.1.26 Velierul catamaran LEBED

n 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 ncperi de locuit confortabile. n consecin, velierele de acest tip sunt utilizate n special pentru croazier i croazier-concurs.

Velierele cu flotor se construiesc, n principal, pentru realizarea unor recorduri de vitez pe trasee speciale (inclusiv transoceanice).

CaracteristicaSUPERNOVITRITONBAIDAPROA

MECITA

Lungimea maxim [m]4,57,151211

Lungimea la plutire [m]4,156,51110,2

Lungimea maxim a corpului lateral [m]3,255,5810,411

Limea total [m]3,24,27,55,7

Pescajul corpului [m]0,120,50,9

Pescajul cu derivor [m]--1,6-

Deplasamentul [t]0,140,9853,2

Aria suprafeei velaturii [m2]712248440

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 (n stnga)

i TRITON n (dreapta)

Trimaranul TRITON (fig.1.27) este folosit pentru agrement i turism pe acvatorii interioare i n zonele maritime de coast.

Fora transversal de antideriv este asigurat de ctre corpurile laterale, asimetrice n plan. Acestea se monteaz nclinat fa de corpul central, astfel nct, la un unghi de nclinare transversal de 15 realizeaz o poziie vertical.

Pentru construcie se folosete placajul i ipcile din pin. Pe trimaran se poate mbarca 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), avnd calitile de seakeeping i dotrile necesare. Seciunile transversale ale corpului central au forme radiale, compuse din fii plane montate ntre chil i cele trei gurne din fiecare bord. Corpurile laterale, cu gurne ascuite, au un volum mare care asigur echilibrarea navei. Cnd sunt complet imersate, reprezint peste 80% din deplasamentul total al trimaranului. Corpurile laterale sunt montate nclinat fa de corpul central, astfel nct la nclinri transversale s se utilizeze eficient calitile lor de portan i rezisten la naintare. Pentru coborrea centrului velic i pentru a putea modifica ntre limite largi aria suprafeei velice, trimaranul BAIDA are dou catarge de tip catch. Pe trimaran este prevzut o cabin prova cu un loc i un salon cu patru locuri de dormit. Cabina cpitanului se afl n picul pupa. n pupa rufului, n babord se afl buctria, iar n tribord masa de navigaie. n prova salonului se afl dulapuri de haine i grupul sanitar.

Fig.1.28 Velierul trimaran BAIDA

Toate construciile de corp i arborada sunt executate din foi de aliaj uor (AlMg58). Grosimea nveliului exterior al celor dou traverse principale din profil chesonat este de 5 mm, grosimea corpurilor este de 3 mm iar grosimea punii rufului este de 2mm.

Velierul cu flotor MECITA este un velier proa de Atlantic (fig.1.29). Volumul flotorului care este necesar pentru meninerea stabilitii transversale la un unghi de band de 15 17, se obine pe seama alungirii mari

(Lf/Bf = 20), fapt ce determin micorarea rezistenei de val. Formele corpului i ale flotorului sunt simetrice i fa de seciunea maestr i fa de planul diametral. Seciunile transversale ale extremitilor sunt ridicate fa de seciunea maestr. Din acest motiv se reduce ambarcarea de ap pe punte, la navigaia pe valuri incidente.

Velierul cu flotor este destinat navigaiei de lung durat n largul mrii, cu un echipaj de 2 3 persoane, la un nivel minim de confort. Catargul rotativ i ina n form de arc de cerc permit manevrarea rapid a velelor.

Fig.1.29 Velierul cu flotor MECITA.

1.3. Nave n regim de sustentaie

1.3.1. Nave glisoare

1.3.1.1. Formarea forelor hidrodinamice pe placa plan

Dac o plac plan fix este aezat simetric-transversal fa de direcia de micare a fluidului nevscos, omogen i stabil, atunci n apropierea plcii, curentul se separ i se ndeprteaz la infinit de-a lungul suprafeei plcii (fig.1.30). S-a notat cu v viteza fluidului, cu pa presiunea constant a mediului ambiant i cu Fp fora de presiune normal pe suprafaa udat a plcii.

Fig.1.30 Curgerea unui curent de fluid pe o plac plan fix,

aezat transversal pe curent

n cazul fluidului real, vscos, comportarea curentului aplicat normal pe placa fix este complicat de formarea unei zone turbionare mari i a tensiunilor tangeniale pe suprafaa plcii.

S presupunem c placa plan fix este aezat sub un unghi de nclinare fa de direcia de micare a fluidului ideal (fig.1.31). Simetria curgerii va dispare i o mare parte a jetului va fi orientat n jos.

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

Curba critic a curentului (pe care este simbolizat viteza v ) nu este o linie dreapt i nu coincide cu axa curentului, aa cum se ntmpl n cazul plcii plane transversale.

n consecin, fora de presiune Fp acioneaz n centrul de presiune X i nu n punctul critic St (punctul stagnrii particulelor de fluid).

n continuare, se consider micarea unei plci plane nclinate pe suprafaa de separaie aer-ap, caz mai apropiat de regimul funcionrii navei glisoare (fig.1.32).

Fig.1.32 Splarea plcii plane nclinate, care se deplaseaz pe

suprafaa fluidului

Se consider c apa aflat iniial n repaus are adncime infinit, iar placa plan (normal pe planul foii, cu suprafaa infinit) se deplaseaz cu viteza v. Lungimea plcii plane s-a notat cu . n situaia nclinrii mici a plcii plane, cantitatea de ap aruncat nainte este mic i se transform n stropi.

S-a notat cu indice 1 lungimea udat a plcii, LW, cu indice 2 baza jetului de stropi i cu indice 3 jetul de stropi.

n fig.1.33 este reprezentat distribuia tipic a vitezei i coeficientului de presiune pe suprafaa glisoare a plcii plane nclinate.

Coeficientul de presiune este definit cu relaia:

(1.3)

n care este densitatea fluidului, iar p este presiunea fluidului de-a lungul suprafeei plcii plane nclinate.

Fig.1.33 Distribuia vitezei i coeficientului de presiune pe

suprafaa glisoare a plcii plane nclinate

Zona 1 din fig.1.33 corespunde vitezelor orientate napoi, zona 2 este aceea a vitezelor orientate nainte, iar punctul St este punctul critic de presiune maxim. Coeficientul Cp este mereu pozitiv, deci presiunea local p este mai mare dect presiunea atmosferic pa. Presiunea local scade pe direcia splrii plcii de ctre fluid.

Presiunea maxim pe suprafaa de glisare poate fi foarte mare. Spre exemplu, dac Cp = 1, v = 30 m/s (~ 60 noduri), = 1000 kg/m3, atunci

p pa = 4,5 105 N/m2.

Pentru determinarea forei de presiune, Fp, normal la suprafaa glisoare a plcii nclinate, se poate aplica o metod de natur energetic [5] care analizeaz modificarea fluxului de energie al fluidului din apropierea plcii. n fig.1.34 este prezentat schema vitezelor n cazul analizat.

Fig.1.34 Triunghiul vitezelor pe suprafaa glisoare a plcii plane nclinate

Masa de fluid prin care trece placa se consider n repaus la infinit amonte i aval. Energia transmis fluidului la deplasarea plcii (nclinat cu unghiul mic ) este energia aruncat de sub plac.

Se neglijeaz influena stratului limit asupra suprafeei udate a plcii. Rezult c fluidul aruncat nainte are viteza relativ v fa de plac, egal cu viteza plcii. Din triunghiul vitezelor rezult c viteza absolut a apei (suma dintre viteza relativ a fluidului fa de plac i viteza plcii) devine egal cu 2vcos(/2).

Dac este grosimea jetului invers de fluid (care curge nainte) la muchia de atac, atunci debitul de mas al apei aruncate nainte (pe unitatea de lungime) va fi egal cu .

Pentru continuitatea curgerii, mrimea trebuie s fie egal cu imersarea liniei critice a curentului, mult n amontele plcii.

Fluxul de energie transmis fluidului de ctre unitatea de lungime a plcii va fi egal cu i reprezint totodat puterea cu care placa efectueaz lucrul mecanic asupra apei, n unitate de timp:

. (1.4)

S-a notat cu Fpu fora de presiune pe unitatea de lungime. innd cont de lungimea plcii plane, Lpl, fora hidrodinamic vertical devine:

. (1.5)

Ecuaia (1.5) arat c fora de presiune, de natur hidrodinamic, se formeaz pe suprafaa plcii nclinate numai dac mrimea este diferit de zero. Cu alte cuvinte, apa trebuie s fie aruncat nainte, deci glisorul nu poate exista fr formarea jetului de stropi.

Aa cum se observ din fig.1.31 fora de presiune hidrodinamic normal la suprafaa plcii se descompune ntr-o component vertical FV i o component orizontal FH (rezistena la naintare).

Menionm c dac jetul de stropi cade pe corpul glisor, se creeaz o surs suplimentar de rezisten la naintare. Fora hidrodinamic vertical poate fi calculat cu relaia:

. (1.6)

innd cont de expresia (1.5) i utiliznd ipoteza unghiurilor mici de nclinare , se obine prin transformri echivalente:

. (1.7)

Expresia (1.7) furnizeaz valoarea aproximativ a forei hidrodinamice verticale, generat de micarea unei plci plane, cu suprafa infinit, nclinat cu un unghi mic pe suprafaa de separaie aer-ap.

Dac fora hidrodinamic de sustentaie acioneaz asupra corpului unei nave nclinat longitudinal i determin ieirea acestuia din ap, atunci nava opereaz n regim de glisare.

n mod analog, fora hidrodinamic orizontal poate fi determinat cu relaia:

. (1.8)

innd cont de expresia (1.5) i utiliznd ipoteza unghiurilor mici de nclinare , se obine:

. (1.9)

innd cont de relaia (1.7), rezult:

. (1.10)

Menionm faptul c, n practic, relaiile (1.7) i (1.10) i pierd precizia pentru plcile plane de lime finit, ca urmare a influenei muchiilor laterale care anuleaz bidimensionalitatea curentului. Relaiile au fost utile pentru nelegerea exact a parametrilor de care depinde formarea forelor hidrodinamice pe placa plan i existena fenomenului de glisare.

n fluid real, datorit vscozitii, schema aciunii curentului pe suprafaa glisoare a plcii plane difer semnificativ. Pe lng fora de presiune hidrodinamic Fp, perpendicular pe plac, acioneaz de-a lungul plcii i fora de frecare Ff (fig.1.35).

Fig.1.35 Schema aciunii curentului asupra unei plci care

gliseaz pe suprafaa fluidului real

Aciunea nsumat a fluidului real asupra plcii glisoare se reduce la fora rezultant FR, care formeaz un unghi oarecare cu placa.

Proiecia forei FR pe direcia de deplasare a plcii, FRH, reprezint rezistena la naintare, iar proiecia forei FR pe direcie perpendicular pe direcia de deplasare, FRV, reprezint fora portant care realizeaz glisarea n anumite condiii ce vor fi stabilite n paragraful urmtor.

1.3.1.2. Ecuaiile de echilibru ale navei glisoare

Glisarea sau alunecarea pe suprafaa apei, este micarea navei n care fora portant este condiionat n proporie de 90 95% de forele hidrodinamice de sustentaie [3].

Un tablou cinematic al liniilor de curent n jurul glisoarelor se caracterizeaz prin prezena unei intense mpingeri 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, fr a spla oglinda pupa.

Modificarea regimului de deplasare al navelor glisoare se poate urmri uor din diagrama 1.36, care furnizeaz dependena imersrii provei, seciunii maestre i pupei navei, n funcie de numrul

Fig.1.36 Dependena imersrii sau emersrii provei,

seciunii maestre i pupei navei, fa de numrul

(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 dect n poziie static.

La limita de separaie dintre zonele I i II prova navei atinge imersarea maxim. Pe msura creterii vitezei, prova ncepe s ias din ap. Totodat, ca urmare a scderii continue a presiunii pe pupa, se observ creterea imersrii la pupa. Se manifest prima caracteristic a fenomenului de glisare: fundul navei este nclinat longitudinal sub un unghi oarecare de atac, la viteze relativ mari de deplasare i se creeaz o for hidrodinamic de sustentaie.

Dac nava se afl n regim de glisare. Se reduce considerabil pescajul la pupa, prova este complet emersat, ca i seciunea maestr.

Limita asimptotic a procesului menionat ar corespunde poziiei navei cu pescaj zero, cu fundul sub un unghi oarecare de atac i tangent la suprafaa apei n extremitatea pupa.

n realitate, fora hidrodinamic care realizeaz sustentaia corpului n regim de glisare este aplicat pe suprafaa inferioar a prii corpului aflat n imersie. n consecin, n afara forelor hidrodinamice de sustentaie, Fp, exist i fore de mpingere (arhimedice) de natur hidrostatic, FA.

n cazul general, putem considera c nava mic are forme paralelipipedice, exceptnd zona prova care este emers n regim de glisare. Sistemul hidrostatic ideal de fore este prezentat n fig.1.37. Oglinda pupa (1) a navei mici nu este udat, de obicei, deoarece apa nu reuete s urmreasc schimbarea rapid a poziiei pupei.

Fig.1.37 Sistemul forelor hidrostatice de presiune ce

acioneaz asupra glisorului

La o adncime z sub suprafaa liber, presiunea manometric pe suprafaa udat a corpului este:

. (1.11)

Dac lungimea i limea suprafeei udate a fundului navei sunt i respectiv , iar este nlimea elementului de suprafa udat, atunci lungimea elementului de suprafa udat, , pe care acioneaz presiunea p este dat de relaia:

. (1.12)

Fora de mpingere hidrostatic elementar, , care acioneaz pe elementul de suprafa de arie:

(1.13)

este dat de expresia: . (1.14)

innd cont de relaiile (1.11) i (1.13) prin transformri echivalente obinem:

. (1.15)

Fora de mpingere hidrostatic FA , aplicat n centrul de presiune X, se obine prin integrarea relaiei de mai sus, ntre limitele i :

. (1.16)

Componenta vertical a forei de mpingere hidrostatic acioneaz n centrul de presiune X i este dat de relaia:

. (1.17)

Deoarece oglinda pupa nu s-a considerat ca fiind imersat, exist i o component orizontal a forei de mpingere hidrostatic, , orientat spre pupa, dat de expresia:

. (1.18)

n afara forelor de presiune hidrostatice FA i hidrodinamice Fp, asupra corpului navei glisoare mai acioneaz fora de frecare Ff datorat vscozitii fluidului real, fora de mpingere Tp produs de propulsor, precum i fora de greutate a navei W. Se presupune c fora de mpingere este orientat paralel cu chila, dar n practic acest lucru depinde de direcia axului elicei i de tipul instalaiei de propulsie.

Datorit rotunjirii longitudinale a formei corpului la extremitatea prova (pentru reducerea rezistenei la naintare la viteze mici) forele de presiune hidrodinamice Fp i hidrostatice FA pot s nu fie perpendiculare pe linia fundului navei. Acest lucru se ia n calcul prin alegerea direciilor forelor Fp i FA sub unghiurile i respectiv fa de vertical. Pentru a evita complicaii ulterioare, o asemenea generalizare nu s-a extins i asupra forei de frecare Ff.

Cnd nava se deplaseaz cu viteze mari, curbura longitudinal a corpului udat este neglijabil de mic. n fig.1.38 este prezentat sistemul de fore care acioneaz asupra navei glisoare (a) i diagrama forelor (b).

Fig.1.38 Forele care acioneaz asupra navei glisoare

Compunnd fora de presiune hidrodinamic Fp cu fora de frecare Ff, se obine fora hidrodinamic rezultant FR. Componenta acesteia pe direcia vertical este notat cu , iar pe direcia orizontal cu .

Ecuaia de echilibru pe direcia axei verticale se scrie sub forma:

. (1.19)

Avnd n vedere faptul c:

(1.20)

relaia (1.19) devine:

. (1.21)

Ecuaia de echilibru pe direcia axei longitudinale se scrie sub forma:

. (1.22)

Deoarece exist relaia:

(1.23)

expresia (1.22) devine:

(1.24)

unde RT este rezistena total la naintare a navei glisoare, egal cu componenta orizontal a forei de mpingere a propulsorului.

De asemenea, pentru micarea stabilizat suma momentelor forelor n raport cu centrul de greutate G trebuie s fie egal cu zero:

(1.25)

Ecuaiile de echilibru ale navei n micare stabilizat de glisare se pot simplifica dac viteza de deplasare este foarte mare i dac se consider unghiurile i mici. n aceste condiii, , , i ecuaiile (1.21) i (1.24) devin:

(1.26)

(1.27)

Analiznd relaia (1.27) se constat c rezistena total la naintare a navei aflat n glisare se compune din trei pri principale:

componenta se numete rezistena inductiv i este generat de abaterea de la vertical a forei hidrodinamice Fp datorit asietei navei;

componenta se poate considera ca fiind suma rezistenei de val i a rezistenei de presiune vscoas;

componenta Ff este rezistena de frecare a navei.

La viteze mari rezistena de val este mic, dar totui nava suport o rezisten inductiv datorat asietei.

i ecuaia momentelor (1.25) se poate scrie ntr-o form simplificat:

. (1.28)

Relaia (1.28) permite determinarea mrimii , care stabilete distana longitudinal dintre centrul de greutate i centrul forelor hidrodinamice de presiune. Astfel, din relaia (1.27) rezult expresia forei de mpingere a propulsorului:

i nlocuind-o n expresia (1.28) obinem:

.

Prin transformri echivalente, rezult:

. (1.29)

Dac se presupune c , din expresia de mai sus se obine:

. (1.30)

Deoarece unghiul nclinrii longitudinale a fundului este mic, practic centrul forelor hidrodinamice de presiune H este amplasat longitudinal n apropiere de centrul de greutate G.

Un parametru important, care determin apariia fenomenului de glisare, este unghiul nclinrii longitudinale a fundului navei, . Din analiza relaiei (1.7) dedus pentru placa plan, rezult c, cu ct unghiurile sunt mai mici, cu att fora hidrodinamic vertical care genereaz portana este mai mare. Unghiul depinde de poziia longitudinal a centrului de greutate, de forma i dimensiunile suprafeei de glisare, de poziia longitudinal a centrului de presiune hidrodinamic. Unghiul crete pe msura deplasrii centrului de greutate al navei spre pupa.

Forma perfect plan a fundului carenei este cea mai eficient din punctul de vedere al hidrodinamicii glisrii. Pentru navele glisoare de mare vitez se cer caliti superioare de manevrabilitate i o bun stabilitate de drum, iar forma plan a fundului carenei nu este recomandat. n aceast situaie, se prefer fundul stelat. Problema formelor optime ale navelor glisoare va fi abordat n paragraful urmtor.

1.3.1.3. Formele optime ale navelor glisoare

Pentru a utiliza eficient forele hidrodinamice care apar pe carena navei pe timpul deplasrii cu viteze mari, trebuie ca forma fundului s asigure glisarea pe suprafaa apei cu o rezisten la naintare minim.

ntruct glisarea este nsoit de diferene mari de presiune i de curgerea lichidului pe fund n sens transversal, fapt care genereaz jetul de stropi, trecerea de la fund spre bord trebuie s exclud splarea bordurilor navei de ctre jetul de stropi.

Aceste condiii sunt satisfcute n cea mai mare msur de ctre formele cu fund plat i gurn ascuit.

Totui, deplasarea unei nave cu astfel de forme pe valuri va fi nsoit de ocuri i suprasarcini considerabile, iar la viteze mai mici rezistena la naintare va fi mult mai mare dect la navele cu forme tradiionale. Satisfacerea cerinelor de comportare pe valuri (de seakeeping) este legat de trecerea de la formele cu gurn ascuit i fund plat la formele cu gurn rotunjit i fund stelat n V, forme care mresc ns rezistena la naintare n regim de glisare.

De aceea, formele navelor glisoare se aleg pornind de la un compromis ntre cerinele de seakeeping i cele de rezisten la naintare i putere instalat la bord.

De regul, glisoarele au gurn ascuit cu fund n V, iar unghiul nclinrii fundului n seciune transversal crete de la pupa spre prova (fig.1.39a) [3].

Fig.1.39 Tipuri de forme specifice navelor glisoare

Exist i forme specifice cu fund curbat n V (fig.1.39b), care se caracterizeaz prin performane hidrodinamice superioare i, n acelai timp, prin suprasarcini hidrodinamice mai mici la deplasarea pe valuri. n mod evident, tehnologia de execuie a unor astfel de forme este mai complicat.

Pentru navele glisoare maritime este caracteristic i folosirea formelor combinate, cu gurn rotund la prova i ascuit la pupa (fig.1.39c). Trecerea de la formele rotunjite la cele ascuite, se realizeaz ncepnd cu seciunile transversale situate n vecintatea prova a seciunii 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 satisfctoare de rezisten la naintare i jet de stropi mai redus.

La toate formele constructive prezentate mai sus, se observ cteva trsturi caracteristice comune:

unghiul nclinrii fundului n seciunea transversal este variabil pe lungimea fundului i crete de la pupa spre prova;

pentru deflectarea jetului de stropi, mbinrile dintre bordaj i fund trebuie s se fac dup o muchie ct mai pronunat, nerotunjit; o alt soluie practic, n special n zona prova, este aceea a unor redane longitudinale care deviaz jetul de stropi ce se formeaz la contactul fundului cu apa, reduc rezistena de frecare i mresc performanele de manevrabilitate ale navelor glisoare (redanele se obin fie prin ndoirea nveliului, fie prin aplicarea unor profile uoare pe corp, fig.1.40);

pentru o glisare eficient, limea gurnei trebuie s fie suficient de mare;

n extremitatea prova, coastele se evazeaz deasupra gurnei, pentru a satisface necesarul de volum.

Fig.1.40 Nave glisoare cu redane longitudinale

Un alt mijloc eficient de micorare a rezistenei la naintare a navelor glisoare, la viteze mari, l constituie folosirea redanelor transversale pe fund.

Aceast soluie constructiv permite obinerea unor caliti hidrodinamice superioare la o sarcin specific redus pe fundul navei i de aceea se utilizeaz la alupele de concurs.Existena redanului transversal produce o discontinuitate pe suprafaa fundului carenei i suprafaa udat se reduce mult. Suprafeele haurate din fig.1.41 reprezint poriunile imerse ale fundului n timpul glisrii.

Fig.1.41 Zonele imerse ale fundului n timpul glisrii

n funcie de modul repartizrii greutii navei, deosebim urmtoarele tipuri de glisoare cu redan [1]:

aprovate (redanul preia cea mai mare parte a greutii, iar pupa este suprafa de sprijin);

apupate (pupa preia cea mai mare parte a greutii, iar redanul este doar suprafa de sprijin);

pe chil dreapt (sarcina se repartizeaz uniform pe cele dou suprafee).

n tabelul 1.7 sunt prezentate principalele caracteristici ale navelor glisoare cu un redan transversal. Mrimile geometrice caracteristice sunt evideniate n fig.1.42.

Tipul glisorului cu un redanL/BCBXG/LXR/LLg/L

AprovatRedan n V i oglind plat4,75,30,290,270,350,470,510,75

Redan i oglind plate44,60,380,320,350,470,510,75

Pe chil

DreaptRedan i oglind plate3,240,550,520,30,410,530,78

Redan plat i oglind n V3,44,50,550,490,30,410,530,78

Redan i oglind n V3,35,50,470,320,30,410,530,78

ApupatRedan n V i oglind plat45,80,430,300,250,350,600,83

Tabelul 1.7 Principalele caracteristici ale navelor glisoare cu

un redan transversal

Fig.1.42 Mrimi geometrice caracteristice navelor glisoare cu redan

Distana de la oglinda pupa la punctul de intersecie al plutirii cu linia gurnei, Lg, trebuie s fie n limitele impuse n tabelul 1.7. n caz contrar, nava nu poate intra n regim de glisare. Spre prova acestui punct, linia gurnei trebuie s urce pentru a preveni formarea stropilor n marul cu vitez mic.

Dac muchia gurnei este ascuit pe toat lungimea navei, unghiul redanului n plan transversal, , va fi mai mare dect acela al oglinzii pupa, (og (fig.1.43).

Fig.1.43 Unghiurile de nclinare transversal specifice

oglinzii pupa i redanului

Unghiul redanului n plan transversal variaz ntre limitele:

pentru glisoare mici;

pentru glisoare medii;

pentru glisoare mari (maritime).

Raportul dintre pescajul i limea redanului Tr/Br se adopt ntre 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.

Limita inferioar a raportului se adopt pentru glisoare mici, iar limita superioar pentru cele mari.

De asemenea, nlimea redanului la gurn hr este ntotdeauna mai mare dect n planul diametral, pentru a se asigura o cantitate de aer suficient la redan. Pentru raportul hr/L se recomand urmtoarele valori n 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), nlimea (hr) i semilimea redanului (Br/2)

n ceea ce privete unghiul de atac al navei cu redan, el se adopt cu att mai mic cu ct redanul este mai apropiat de prova, deoarece suprafaa de alunecare se lungete n acest caz i implicit este necesar un unghi mai mic de asiet.

Unghiul de atac are valori cuprinse ntre 2 5 pentru glisoare aprovate, 2 4 pentru glisoare pe chil dreapt i 2 3 pentru glisoare apupate.

O nav cu redan se consider corect proiectat dac linia de plutire n timpul marului este paralel cu linia de plutire n staionare.

1.3.2. Nave pe aripi portante

1.3.2.1. Particularitile hidrodinamice ale aripilor portante

Principiul de funcionare al aripii portante imerse n fluid de adncime infinit nu difer de acela al aripii aeriane. La deplasarea unei aripi portante n ap, cu viteza v, sub un unghi de inciden , se creeaz o for portant dat de relaia:

(1.31)

n care Cy este coeficientul forei portante, iar Sa este aria suprafeei aripii.

Fora portant apare ca urmare a diferenei de presiune ntre suprafaa superioar (de suciune) i suprafaa inferioar a aripii, condiionat n conformitate cu ecuaia lui Bernoulli de diferena dintre vitezele de curgere ale fluidului n vecintatea celor dou suprafee (fig.1.45).

Fig.1.45 Schema formrii forei portante a aripii

n acelai timp, asupra aripii acioneaz i rezistena la naintare X, dat de relaia:

(1.32)

n care Cx este coeficientul rezistenei la naintare a aripii. Prin compunerea

forelor de rezisten la naintare i de portan se obine fora rezultant R (fig.1.46).

Fig.1.46 Schema forelor care acioneaz asupra aripii imerse

Raportul dintre fora portant Y i rezistena la naintare a aripii X se numete coeficient de calitate:

. (1.33)

Elementele geometrice principale ale unei aripi portante sunt prezentate n fig.1.47. Profilul aripii poate fi de tip segment (a) i profil aviatic (b).

Fig.1.47 Elementele geometrice principale ale aripii portante

Coarda aripii portante, notat cu b, este segmentul de dreapt care unete punctele extreme ale muchiilor de atac i de fug ale profilului longitudinal al aripii.

Alungirea relativ a aripii este raportul:

(1.34)

unde este lungimea aripii (distana dintre punctele extreme ale aripii, msurat pe direcie perpendicular pe direcia de deplasare a aripii).

Dac aripa are o form oarecare n plan, se definete coarda medie:

. (1.35)

Grosimea profilului este variabil pe lungimea coardei. Raportul dintre grosimea maxim e i coarda b se numete grosime relativ:

. (1.36)

Curba desenat cu linie ntrerupt n fig.1.47 se numete linie de curbur medie i este caracterizat prin sgeata f.

Unghiul de inciden corespunztor valorii nule a coeficientului de portan se numete unghi de portan nul i se noteaz cu .

n fig.1.48 sunt reprezentate curbele de variaie ale coeficientului rezistenei la naintare Cx, coeficientului forei portante Cy i coeficientului de calitate K n funcie de unghiul de atac al aripii portante. Se observ c profilele portante nu pot fi utilizate la unghiuri mari de atac, deoarece coeficientul forei portante scade foarte mult dup atingerea valorilor maxime, care corespund unghiurilor mici de atac. Menionm c valorile coeficienilor Cx, Cy i K depind de forma profilului i de alungirea relativ, .

Fig.1.48 Curbe caracteristice de variaie ale coeficienilor

Cx, Cy i K n funcie de unghiul de atac al

aripii portante

Coeficientul forei portante pentru aripa de anvergur infinit () se determin cu relaia [3]:

. (1.37)

n cazul aripii foarte subiri, de anvergur infinit, care se mic n fluid ideal, derivata funciei are valoarea:

. (1.38)

n cazul aripii cu anvergur finit, la capete se manifest fenomentul de curgere a fluidului de jos n sus, nsoit de apariia vrtejurilor.

n consecin, unghiul de inciden al aripii se reduce cu mrimea , fora portant i modific poziia cu acelai unghi i apare o for de rezisten suplimentar Xi, numit rezisten inductiv, calculat cu expresia:

(1.39)

n care este coeficientul rezistenei inductive.

Unghiul de reducere se poate calcula cu relaia:

(1.40)

iar coeficientul rezistenei inductive se poate determina cu expresia:

. (1.41)

Coeficienii i sunt prezentai n diagrama (1.49) n funcie de alungirea relativ , pentru aripi cu profil i seciune constante pe lungime. Pentru unghiuri de inciden mici ale aripii, rezistena inductiv reprezint o mic parte din rezistena general a aripii.

Fig.1.49 Variaia coeficienilor i n

funcie de alungirea relativ

Caracteristicile hidrodinamice ale aripii portante, care se deplaseaz n apropierea suprafeei libere a apei, difer semnificativ fa de caracteristicile aripii splate de un curent nelimitat.

Stratul de ap aflat deasupra aripii puin imersate se deformeaz, iar viteza medie de splare a suprafeei de suciune devine mai mic. n consecin, att depresiunea de pe suprafaa de suciune, ct i fora portant a aripii nu mai ating valorile pe care le-ar fi avut n curent nelimitat.

Influena suprafeei libere a apei se manifest, n special, de la adncimi h mai mici dect coarda profilului, deci pentru adncimi relative de imersare subunitare. Aa cum se poate observa din fig.1.50, coeficientul forei portante Cy se reduce semnificativ pe msura apropierii aripii de suprafaa liber, pe tot domeniul unghiurilor de atac.

Coeficientul forei portante al aripii puin imersate se poate determina n prim aproximaie cu formula [6]:

. (1.42)

Pentru o evaluare mai exact, se utilizeaz relaia [3]:

(1.43)

n care este corecia de suprafa liber pentru unghiul de portan nul.

Fig. 1.50 Influena imersrii relative a aripii asupra

variaiei coeficienilor Cx i Cy

Derivata coeficientului de portan al aripii cu alungire finit , care se mic sub suprafaa liber a apei la o adncime relativ de imersare , este prezentat n fig.1.51. Unghiul de atac se exprim n grade.

Fig.1.51 Dependena derivatei n funcie de

alungirea relativ i de adncimea relativ de

imersare a aripii

Diagrama din fig.1.51 se poate aplica pentru aripi dreptunghiulare i pentru aripi n V moderat (cu unghiul dintre latura nclinat a aripii i orizontal mai mic dect 8).

Unghiul de portan nul, msurat n grade, se poate calcula cu relaiile:

a) pentru cazul fluidului ideal;

b) pentru cazul fluidului real,

unde este curbura relativ a liniei mediane a profilului.

Corecia de suprafa liber pentru unghiul de portan nul ( n grade) depinde de adncimea relativ de imersare i de grosimea relativ a aripii i se determin cu relaia:

(1.44)

n care coeficientul kh este prezentat n fig.1.52.

Fig.1.52 Dependena coeficientului kh n funcie de

adncimea relativ de imersare

n cazul aripilor n V pronunat (cu unghiul dintre latura nclinat a aripii i orizontal cuprins ntre 15 i 30) coeficientul forei portante al aripii puin imersate se determin cu relaia:

. (1.45)

Derivata este prezentat n fig.1.53 iar dependena n fig.1.54. Unghiurile , i se msoar n grade.

Fig.1.53 Dependena derivatei n funcie de

alungirea relativ , pentru aripi n V, cu

Fig.1.54 Dependena coreciei n funcie de adncimea relativ de

imersare , pentru aripi n V, cu

Caracteristicile hidrodinamice ale aripii portante care se deplaseaz n apropierea suprafeei libere, prezentate mai sus, se refer la regimul de curgere stabilizat. n cazul ptrunderii accidentale a aerului atmosferic pe suprafaa de suciune a aripii, se instaleaz un regim nestabilizat al curgerii. Depresiunea de pe suprafaa de suciune dispare, curentul se desprinde de pe suprafaa de aspiraie (aripa se dezgolete), fora portant se reduce brusc, iar aripa se imerseaz. Dup imersare, fora portant se reface i aripa se apropie de suprafaa liber. Dac nu se iau msuri speciale, fenomenul descris se va repeta periodic, determinnd instabilitatea deplasrii navei.

Aerul atmosferic poate ajunge pe aripi, pe diverse ci: direct de pe suprafaa liber dac aripa nu este suficient imersat, datorit turbioanelor ce se desprind de pe arip i se adun pe suprafaa liber, precum i datorit montanilor care fixeaz aripile de corpul navei i intersecteaz suprafaa liber a apei. n procesul proiectrii aripilor portante, trebuiesc luate msuri care s mpiedice ptrunderea aerului pe suprafaa de suciune.

n cazul aripilor puin imersate, cu adncimea relativ de imersare i unghiul de atac (care asigur valori ridicate ale calitilor hidrodinamice i stabilitii de drum), se recomand urmtoarele domenii optime ale coeficienilor forei portante [6]:

- pentru navele cu viteza cuprins ntre 50 70 km/h:

aripa prova 0.20 0,16;

aripa pupa 0,24 0,20;

- pentru navele cu viteza cuprins ntre 70 90 km/h:

aripa prova 0,12 0,08;

aripa pupa 0,16 0,12.

O problem practic, ntlnit n proiectarea curent o constituie necesitatea stabilirii relaiilor de trecere ale caracteristicilor hidrodinamice ale aripii puin imersate, de la o alungire la alta. Aceste relaii permit determinarea caracteristicilor hidrodinamice ale aripii navei proiectate, cu alungirea relativ , folosind rezultatele cercetrilor pe modele experimentale de acelai tip (dar cu alt alungire relativ ) standardizate.

Expresiile coeficienilor forelor portante ale aripilor cu alungirile relative i sunt:

. (1.46)

S-a stabilit, pe cale experimental, c aripile de acelai tip, cu diferite alungiri, aflate la imersri relative i unghiuri de atac identice, au aceleai valori pentru mrimile i .

mprind relaiile (1.46) se obine:

. (1.47)

Pentru calculul derivatei coeficientului de portan necunoscut, al aripii cu alungirea relativ , se poate utiliza expresia:

. (1.48)

Coeficientul se determin n conformitate cu diagrama din fig.1.49, iar coeficienii B i sunt prezentai n figurile 1.55 i respectiv 1.56, n funcie de adncimea relativ de imersare, .

Fig.1.55 Coeficientul B n funcie de adncimea

relativ de imersare

Fig.1.56 Coeficientul n funcie de

adncimea relativ de imersare

O alt problem practic, ce trebuie avut n vedere la proiectarea navelor pe aripi, o constituie interferena aripilor prova i pupa. Aripa prova influeneaz caracteristicile hidrodinamice ale aripii pupa. Aripa prova creeaz un curent de forma unui gol de val, cu baza plat. Aripa pupa se afl, de obicei, n zona de influen a golului de val, care genereaz o asiet suplimentar ce conduce la creterea unghiurilor de atac ale ambelor aripi. Totodat, curentul nclinat generat de aripa prova are tendina de a reduce unghiul de atac al aripii pupa. Efectul rezultant al interferenei aripilor prova i pupa const din reducerea coeficientului forei portante al aripii pupa, i creterea coeficientului rezistenei la naintare, , al aceleiai aripi [3]: . (1.49)

n relaia de mai sus i sunt coeficienii rezistenei la naintare i forei portante ai aripii pupa izolate, iar reprezint unghiul devierii curentului pe locul amplasrii aripii pupa, calculat in funcie de coeficientul forei portante al aripii prova cu relaia aproximativ:

. (1.50)

Pentru calcu