Киль яхты
Киль парусной яхты или парусного корабля
Киль– это важнейшая деталь корпуса любого судна. Наиболее часто килем называют специальную балку, расположенную продольно, которая идёт от носа к корме. У киля две функции: обеспечивать устойчивость и прочность судна.
Основные виды килей на яхте
Существуют несколько видов киля:
Основные виды яхт с разными килями
Классическую яхту с килем
Такое судно имеет киль, который жёстко закреплён на днище. Чаще всего такие яхты имеют балластовый киль. Главный плюс таких судов – устойчивость. У них отличные мореходные качества. Кроме того, на них можно установить более массивные паруса.
Такие яхты используют для морских или океанских переходов.
Но у них есть и минус: их осадка. Плавать на мелководье на них невозможно.
Швертбот
Киль-шкверт подходит для прибрежного плавания. Когда вы выходите на глубоководье – шкверт выдвигается, когда возвращаетесь к берегу – убирается.
Такие суда менее устойчивы, чем классические яхты. Выходить на них в море или океан – не рекомендуется, это опасно. А вот плавать у берега, в большом озере – это то, ради чего они созданы.
Плоскодонки
У таких лодок вообще нет киля. Такие суда могут двигаться только по мелководью. Например, по рекам и озёрам. В море на них выходить нельзя.
Киль судна
Киль судна является одной из основных конструктивных деталей корпуса. В классическом понимании килем судна называют продольную балку, идущую от его носа до кормы. В конструкции корпуса киль исполняет две основные роли – обеспечивает остойчивость судна, препятствуя его опрокидыванию, и в то же время придаёт корпусу дополнительную прочность, защищая днище при ударах о грунт.
Виды килей
В современном яхтинге килем ошибочно именуется фальшкиль – вертикальное «крыло», выступающее из днища. Но, поскольку данная «ошибка» уже давно устоялась, то фальшкиль практически повсеместно, даже во многих официальных документах, именуется килем яхты. Они бывают нескольких типов:
Виды яхт, в зависимости от типа киля
В зависимости от типа используемого на яхте киля, а также от его наличия, они подразделяются на несколько видов:
Килевая яхта
Подобный тип парусников имеет киль, жёстко и неподвижно закреплённый на днище корпуса. Как уже было сказано выше, он может быть либо балластным, с металлическим утолщением – бульбом, на конце, либо выполнен просто в виде выступающего пера. Основным плюсом такого типа парусников является их отличная устойчивость к боковому крену, вызываемому воздействием сильного волнения или резкими порывами ветра. В связи с высоким коэффициентом бокового сопротивления, такие парусники обладают хорошими мореходными качествами. А также на них возможна установка парусов большой площади, что позволяет увеличить скорость судна.
Килевыми чаще всего делают яхты, предназначенные для морских и океанских переходов, когда требуется повышенная сопротивляемость волнам и ветру. Но вместе со всеми своими неоспоримыми преимуществами, оснащение парусной яхты килем имеет и свой минус. Таким отрицательным моментом является увеличенная осадка судна. В результате становится затруднительным, а то и вовсе невозможным плавание на мелководье и подход к необорудованному побережью. При приобретении килевой яхты следует учитывать гидрографические данные предполагаемого района эксплуатации судна.
Швертбот
Для прибрежного плавания применяются особые лодки, оснащаемые выдвижным килем — швертом. При переходах по глубоководным местам выдвижной киль яхты находится в опущенном состоянии, увеличивая её остойчивость. В этом случае шверт работает как киль у классической килевой яхты. При подходе же к мелководным местам, он затягивается при помощи тросов или гидравлического оборудования в специальный ящик, расположенный внутри корпуса – так называемый швертовый колодец.
Несмотря на наличие киля, швертботы всё же не столь устойчивы, как балластно-килевые яхты, поэтому выходить на них в открытое море и, а тем более в океан — крайне не рекомендуется. Родная стихия для швертботов – прибрежные воды, шхеры, или крупные озёра. Из-за более низкой остойчивости, швертботы также имеют ограничения по площади устанавливаемого парусного вооружения. В последние десятилетия набирает популярность «компромиссная» конструкция, имеющая утяжелённый шверт с бульбом на конце. Компромисс сочетает лучшие свойства обычного шверта и килевой яхты.
Плоскодонки
Лодки плоскодонной конструкции вообще не имеют киля. Благодаря этому, плоскодонки имеют незначительную осадку и способны свободно передвигаться по мелководным местам. Но, в то же время — они обладают малой остойчивостью из-за отсутствия киля, и предназначаются для плавания по внутренним водам – рекам и небольшим озёрам. Выход в открытое море на плоскодонках запрещён, точно так же, как и установка на них парусного вооружения.
Что нужно знать о яхтенных килях
Прошло уже, по крайней мере, лет сорок с того времени, когда конструкторы крейсерско-гоночных яхт окончательно признали возможность и необходимость применения теоретических и экспериментальных исследований аэродинамики крыла к проектированию яхтенных килей.
Киль, на старых яхтах плавно сопряженный с обводами корпуса и несущий на своей кормовой кромке руль на наклонной оси, на современной яхте выделился в короткий и глубокий плавник, проектируемый и изготавливаемый обычно в виде самостоятельного узла, который присоединяется к корпусу перед спуском судна на воду и может сниматься при наземной транспортировке яхты. Руль отделился от киля и занял свое ставшее уже привычным место на небольшом кормовом плавнике — скеге — либо на транце или повис на баллере непосредственно под днищем яхты.
В учебниках яхтенных рулевых и капитанов все чаще стали появляться сугубо авиационные термины: профиль, удлинение, угол атаки, индуктивное сопротивление. В дальнейшем яхтенные конструкторы именно с позиций теории крыла усовершенствовали кили, добиваясь как их максимальной эффективности в борьбе с боковым сносом — дрейфом яхты под ветер, так и снижения сопротивления воды движению яхты, обусловленного трением воды о киль.
В процессе этого совершенствования конструкторы преуспели настолько, что смоченная поверхность корпуса современной яхты уменьшилась, по сравнению с судном устаревших традиционных обводов, более чем в полтора раза, а объем киля даже стал недостаточным для размещения в нем балласта, который необходим для обеспечения остойчивости яхты. Неудивительно, что на некоторых «модерновых» проектах часть балласта размещают в корпусе яхты, под пайолами каюты, либо прибегают к помощи водяного балласта, заполняющего бортовые цистерны.
Появилось довольно много различных новых типов килей, отличающихся формой боковой проекции, наличием гидродинамических шайб, «крылышек», вертикальных щелей, элеронов (триммеров) и т. п.
Силы, действующие на яхтенный киль
Для того чтобы правильно оценить качества того или иного киля, необходимо напомнить (рис. 1) хотя бы упрощенную схему сил, действующих на паруса и корпус яхты в самом общем случае — на курсе бейдевинд, т. е. под углом навстречу направлению ветра.
Поток воздуха, обтекая паруса, создает на них аэродинамическую силу А, которую можно представить в виде двух составляющих — силы тяги Т, движущей яхту вперед, и боковой силы (силы дрейфа) D, которая вызывает крен яхты и ее дрейф в подветренную сторону. Сила D является причиной того, что яхта идет не прямо по курсу, совпадающему с ее диаметральной плоскостью, а под небольшим углом λ к ней. Под этим же углом обтекается плавник киля, т. е. угол дрейфа является углом атаки плавника к набегающему потоку воды.
Согласно третьему закону механики, при установившемся движении яхты по прямой к ней должны быть приложены равные по величине, но противоположно направленные силы сопротивления воды движению вперед R и сопротивления дрейфу L. Эти силы уже гидродинамические, поскольку они возникают на корпусе и на киле яхты, как на крыле, обтекаемом встречным потоком воды под углом атаки, равным 1 углу дрейфа λ. При обычных условиях сила дрейфа примерно в три раза превышает силу тяги, а поскольку силы D и L приложены одна — к парусам, на определенной высоте над ватерлинией судна, а другая — к подводной части корпуса, они создают кренящий момент, который должен уравновешиваться восстанавливающим моментом сил плавучести V и веса судна W.
Нетрудно увидеть определенную аналогию между движением яхты и планера, который планирует под действием силы тяжести, направленной вертикально вниз, и удерживается в воздухе благодаря подъемной силе, возникающей на крыльях. Подобно тому, как планер обрушится на землю, если лишить его крыла, ветер потащит яхту вбок, если ее киль и корпус не будут развивать достаточной боковой силы сопротивления дрейфу. Старые парусники, на которых киль еще не был явно выраженным крылом, ходили в бейдевинд с дрейфом до 12-15°, в то время как дрейф современных крейсерско-гоночных яхт, снабженных плавниковыми килями, составляет всего 4-5°.
Все эти качества зависят от площади боковой проекции киля и корпуса, его гидродинамических характеристик, которые во многом определяются геометрическими параметрами киля.
В общем случае гидродинамические силы на киле могут быть рассчитаны по известным формулам, используемым в теории крыла:
— подъемная сила (в случае киля она является силой сопротивления дрейфу)
Выбор площади киля и элементы его геометрии
Очевидно, что площадь боковой проекции киля (а точнее — всей погруженной части корпуса) находится в зависимости от площади парусности яхты, так как именно ею определяется величина силы дрейфа D. Поэтому при предварительном выборе размеров киля конструктор обычно руководствуется статистическими данными яхт с близкой площадью парусности и характерной конфигурацией подводной части, которые проявили при эксплуатации удовлетворительные лавировочные качества.
Приводим здесь два обобщенных графика (рис. 2 и 3), на одном из которых представлена зависимость отношения площади парусности к площади боковой проекции подводной части корпуса с килем (но без учета руля) от длины яхты по конструктивной ватерлинии, а на втором — величина площади современного плавникового киля в зависимости от той же длины судна по КВЛ.
Значения коэффициентов гидродинамических сил на киле — бокового сопротивления CL и сопротивления движению вперед CR — не являются постоянными: они зависят от изменения угла атаки киля в процессе движения судна и режима обтекания киля, характеризуемого числом Рейнольдса. Характер этой зависимости и максимальные величины коэффициентов определяются целым рядом геометрических параметров киля и прежде всего — профилем его поперечного сечения (рис. 4).
В аэро- и гидродинамике разработано большое количество различных обтекаемых профилей, каждый из которых оказывается наиболее эффективным в каких-либо определенных условиях — для несущих крыльев и стабилизаторов, стоек, обтекателей и т. п. Для яхтенных килей преимущественное распространение в последние годы получили симметричные обтекаемые профили NACA (National Advisory Commitee of Aeronautics).
Эти профили имеют высокое гидродинамическое качество, т. е. отношение величины подъемной силы L к сопротивлению R, не требуют соблюдения жестких допусков при изготовлении, а качество в меньшей степени зависит от степени шероховатости наружной поверхности, чем у других профилей.
К важнейшим геометрическим характеристикам киля, как и любого крыла, относится его удлинение, т. е. отношение длины к средней хорде h/bm. Длину киля, точнее, углубление его нижней кромки от поверхности днища, называют, по аналогии с крылом, размахом.
Заметим, что при экспериментах обычно используют профили бесконечного размаха, ограниченные по торцам стенками аэродинамической трубы, шайбами, препятствующими перетеканию жидкости (газа) из зоны повышенного давления в область разрежения, или же испытывают модели с удлинением λ>6. В этих случаях можно считать, что крыло обтекается плоским двухмерным потоком, а завихрениями у торцов, которые вносят коррективы в величины подъемной силы и сопротивления реальных килей с удлинением λ=0.5+1.5, можно пренебречь.
Гидродинамические характеристики профилей
Результаты таких экспериментов с профилем NACA-0018, обтекаемым потоком с относительной скоростью — числом Рейнольдса Re=3,2·10 6 (соответствует скорости движения яхты, имеющей киль с хордой 1 м, V=3.6 м/с или 7 уз), представлены на графике (рис. 5). Смысл числа Рейнольдса поясняется далее.
В табл. 2 анализируются гидродинамические характеристики профилей NACA с различной относительной толщиной t/b в сравнении с плоской пластиной, к каковой можно отнести, например, шверт, вырезанный из листа металла или фанеры.
Надо сказать, что наиболее выгодно использование рассматриваемых в табл. 2 профилей в диапазоне углов атаки 4-5°, близких к реальным углам дрейфа современных яхт, при которых их гидродинамическое качество достигает максимума. И хотя с увеличением угла атаки до 16-23° коэффициент подъемной силы CL профилей возрастает в 3-4 раза, соответственно растет и сопротивление воды R, замедляющее продвижение вперед.
По данным таблицы можно сделать вывод, что максимальная толщина профиля t сравнительно мало влияет на коэффициент подъемной силы CL, однако более толстые профили оказывают более высокое сопротивление, что проявляется в росте коэффициента CR с увеличением t/b. Но этот вывод справедлив только для сравнительно узкого диапазона скорости, в котором испытывались рассматриваемые профили. При повышении скорости обтекания (числа Рейнольдса) результат получается несколько иным.
Напомним, что подъемная сила на крыле обтекаемого профиля, помещенном в поток воды под углом атаки а (или, что то же самое, движущемся вместе с яхтой в неподвижной воде), создается за счет разности давлений на его сторонах. При обтекании «спинки» профиля (в случае яхтенного киля это его «наветренная» поверхность) скорость частиц воды увеличивается, так как они должны пройти несколько больший путь до соединения с частицами, обтекающими противоположную поверхность крыла, обращенную к потоку. На этой «подветренной» поверхности скорость движения частиц, наоборот, замедляется. Соответственно на спинке профиля создается разрежение, а на противоположной поверхности — повышенное давление. Суммарная величина отрицательного и положительного давлений на обеих поверхностях и дает подъемную силу.
Заметим, что основную роль играет именно разрежение на спинке профиля, поэтому эффективность крыла во многом зависит от того, какие явления происходят на этой поверхности.
Срыв потока и критический угол атаки
Речь идет о характере изменения разрежения давления вдоль хорды профиля. Например, у стандартных профилей серии NACA, у которых максимальная толщина профиля t находится на расстоянии 30% хорды b от носика, пик разрежения при угле атаки 3° находится на расстоянии 25% b от носика. На этом участке и происходит основной разгон частиц воды до их максимальной скорости. Разрежение, увеличивающееся по мере удаления от точки встречи потока с профилем, как бы засасывает частицы воды. После того, как они пройдут точку с максимальным разрежением, давление в потоке, оставаясь отрицательным, начинает возрастать; соответственно дальнейшее продвижение частиц замедляется, их скорость постепенно падает. У выходящей кромки крыла она становится такой же, как и скорость потока перед его встречей с носиком крыла, т. е. равной скорости яхты относительно воды.
При увеличении угла атаки, скажем до 6°, область максимального разрежения приближается к носику и на профилях NACA оказывается на расстоянии около 20% хорды. Ближе к носику перемещается и точка, в которой перепад давления становится неблагоприятным для дальнейшего перемещения частиц к выходящей кромке. Кинетическая энергия частиц, приобретенная на начальном участке разгона, на подходе к этой точке в значительной степени оказывается уже затраченной на преодоление сил вязкости воды и ее недостаточно, чтобы преодолеть рост давления в потоке по направлению к выходящей кромке. Частицы скапливаются, происходят отрыв потока от поверхности профиля, рост давления на остальной части спинки до выходящей кромки и падение подъемной силы.
Особенно большое влияние на величину максимального коэффициента подъемной силы оказывают радиус r скругления входящей кромки носика и положение максимальной толщины профиля от носика. Эксперименты показали, что профили с острым носиком (радиус скругления передней кромки около 0.2·t) имеют максимальную подъемную силу, вдвое меньшую, чем профили, скругленные по радиусу r=0.6·t при одинаковой относительной толщине t/b. При t/b менее 6 % максимальный коэффициент подъемной силы практически не зависит от радиуса скругле-ния носика и не намного превышает значение CL для плоской пластины.
В авиации были разработаны специальные профили, отличающиеся пониженным сопротивлением на малых углах атаки. У этих, так называемых «ламини-ризированных», профилей максимальная толщина располагается не на 30% хорды от носика, как на профилях NACA серии 00, а на 35% (63-я серия NACA), 40% (64-я серия), 45% (65-я серия) и 50 % (66-я серия).
Смысл введения таких профилей состоял в том, чтобы за счет смещения максимальной толщины профиля к выходящей кромке сохранить ламинарный пограничный слой на большей части хорды и тем самым снизить его вязкостное сопротивление. Кривая зависимости коэффициента сопротивления этих профилей от угла атаки имеет характерный минимум («ведро») в области малых (2-3°) углов атаки с меньшим по величине CL, чем у «стандартных» профилей серии 00. Однако это преимущество утрачивается уже при углах атаки, больших 3.5°, т. е. в диапазоне реальных углов дрейфа яхты.
Кроме того, у этих профилей существенно ниже и максимальная величина коэффициента подъемной силы, при которой происходит срыв потока со спинки профиля. Для килей (и особенно рулей) эта характеристика имеет немаловажное значение. Выше отмечалось, что подъемная сила на киле, т. е. сила сопротивления дрейфу, пропорциональна квадрату скорости V и коэффициенту подъемной силы CL. При лавировке на крупной волне после поворота оверштаг скорость яхты может снизиться до минимума, сразу же увеличится угол дрейфа, потребуется определенное время, прежде чем судно наберет скорость и киль станет эффективно работать при обычных 4-5° угла атаки. Дело усугубится, если в начальный момент, когда яхта ляжет на новый галс, угол дрейфа достигнет критического угла атаки, когда киль практически не создает сопротивления дрейфу. В таком случае требуется определенное время на то, чтобы судно увалилось под ветер и набрало скорость, после чего его можно привести на нужный курс. «Ламиниризированные» профили, отличающиеся низкими критическими углами атаки, в этом смысле мало пригодны для яхтенных килей.
Режим обтекания киля
Максимальная величина коэффициента подъемной силы зависит от относительной скорости обтекания плавника, характеризуемой числом Рейнольдса Re=V·L/v, где V — скорость движения яхты (потока, обтекающего плавник), м/с; L — характерный размер киля в направлении потока (например, его средняя хорда bm, м); v — коэффициент кинематической вязкости воды; при температуре 15°С v = 1.15 м 2 /с для пресной и 1.23 м 2 /с для морской воды.
Величина числа Re определяет режим обтекания спинки профиля в пограничном слое — тонкой пленке воды, соприкасающейся с плавником и вовлекаемой в движение вместе с ним силами вязкости. Скорость частиц ближайшего к поверхности киля слоя этой пленки равна нулю — они «прилипли» к поверхности, движутся вместе с нею, т. е. со скоростью самого киля. Частицы соседнего тончайшего слоя уже немного проскальзывают по первому неподвижному слою, т. е. приобретают какую-то скорость. Следующий слой частиц, скользящих относительно предыдущего, имеет еще более высокую скорость, и так далее, пока скорость частиц воды не сравняется со скоростью основного потока. Так происходит обтекание киля при ламинарном режиме пограничного слоя, при котором отсутствуют перемещения частиц воды между отдельными слоями.
Меньшую величину критических углов атаки при малой скорости потока можно объяснить тем, что при ламинарном пограничном слое его отрыв от спинки профиля происходит вблизи носика, в то время как при турбулентном режиме точка отрыва отдаляется от носика в сторону максимальной толщины tmax.
Можно отметить, что достаточно высокий максимальный коэффициент подъемной силы обеспечивается на профилях с умеренной относительной толщиной t=12÷15% хорды. При низких числах Rе, соответствующих движению киля с хордой 1 м со скоростью примерно 2,5 уз, хорошие результаты дает профиль NACA-0018, но большая подъемная сила (сопротивление дрейфу) дается ценой увеличения профильного сопротивления.
Прошу помощи! Для чего нужен киль?
Удачи в спорах.
Александр.
Гонсчик (гоню много)
о чём спор то? Обе правы. Вот соединяйте свой утверждения и будет результат.
Киль — балка или балки, проходящие посередине днища судна от носовой до кормовой оконечности в районе днища и служащие для обеспечения прочности корпуса судна.
Вы что-то не про то.
Я тож подумал, мож чё написать про киль, фальшкиль и т.д.
Но у ребят вообще пока так всё далеко от понимания, что это и совсем не важно. Да и не истуину ищют. а доказательства. кто ж прав более, вместо того, чтобы постраться разобраться в этой элементарной теме.
Киль — балка или балки, проходящие посередине днища судна от носовой до кормовой оконечности в районе днища и служащие для обеспечения прочности корпуса судна.
Вы что-то не про то.
Я думаю речь шла конечно же о фальшкиле..
о чём спор то? Обе правы. Вот соединяйте свой утверждения и будет результат.
только благодаря килю. А паруса вообще не при делах, т.е. управляя парусами ни чего не добьешься. И, не будь бы киля, я бы ни когда в жизни не добрался, до точки Б с которой дует ветер,
без фальшкиля, но с парусами, и плыть туда куда хочется, а не туда куда ветер.
Рулевой 1-го класса
. Я же говорю добрался, но затратил чуть больше времени из за сноса.
Рулевой 1-го класса
Итак на работе возник спор из нечего. Коллега начал доказывать, что лодка движется против ветра (т.е. под острым углом к ветру, да вообще и перпендикулярно ему. ), только благодаря килю. А паруса вообще не при делах, т.е. управляя парусами ни чего не добьешься.
Спор ваш похож на выяснение философского вопроса: Что было раньше, курица или яйцо? Так вот я вам обоим открою большой секрет: РАНЬШЕ ВСЁ БЫЛО! Леонтьев не даст соврать.
Чтобы увеличить силу на подводной части корпуса и уменьшить дрейф ставят киль, вернее плавник. Это крыло, значительно более эффективное по сравнению с корпусом.
Современные яхты, за счет использования плавника, имеют лавировочный угол 30-40 градусов. А особо продвинутые и меньше.
хранящий лодку в гараже
а так да, киля нет (т.е фальшкиля)
Уважаемые Коллеги,
На современных яхтах основное назначение Киля, как он изготовлен и его вес, это обеспечение ОСТОЙЧИВОСТИ. Для улучшения лавировочных качеств корпуса нет необходимости возить 3-4 тонны мертвого веса. Есть другие методы обеспечения лавировочных качеств. Точка.
Рулевой 1-го класса
Рулевой 1-го класса
Как щас помню, ял-6 укомплектованный живым баластом по остроте хода неуступал кадету
Посмотрите эволюцию лодок. На ялах и ялоподобных (Колин Арчер, Спрей, и т.п.) имеется брусковый киль от носа до кормы, а балласт внутри корпуса, на «классических» Л-6, «Драконах», Алькорах» и т.д. киль ужЕ превращается в плавник, к которому подвешивается балластный фальшкиль, на более современных киль совсем внутри корпуса, или их два, как на поларисе, а фальшкиль является и плавником. Все эти фальшкили-плавники в той или иной степени обеспечивают боковое сопротивление. На самых же современных яхтах с бульбами плавник выполняет лишь роль стойки для бульба, имеет минимально возможные размеры сечения, да ещё и отклоняется чуть ли не параллельно поверхности воды. Естественно, ни о каком создании бокового сопротивления тут речи нет. Отсюда методы: доп. шверты, или поворотный вокруг вертикальной оси плавник.
Цитата(ARVERA @ 13 May 2009, 22:45)
Уважаемые Коллеги,
На современных яхтах основное назначение Киля, как он изготовлен и его вес, это обеспечение ОСТОЙЧИВОСТИ. Для улучшения лавировочных качеств корпуса нет необходимости возить 3-4 тонны мертвого веса. Есть другие методы обеспечения лавировочных качеств. Точка.
То есть имея сто кг бульба на глубине 100 метров имеем (грубо говоря) остойчивость, а ходовые качества (опять же грубо говоря) обеспечить может труба на которой закреплён бульб?
Или перестали считать парустность, остойчивость и площадь киля с бульбом к заданным условиям плавания и соответственно корпусу?
Вашему совету внял про эволюцию, ходит у нас Ассоль килевая и с бульбом, вот это эволюция. 1\4 Не уходит, либо с трудом.
Рулевой 1-го класса
