Теоретические основы действия САУ

Как известно, САУ позволяют управлять судном при отсутствии ско­рости судна по курсу. Это объясняется тем, что САУ позволяют созда­вать боковые силы на корпусе даже на неподвижном судне, в то время как обычный руль действует только благодаря обтеканию его струей во­ды, т.е. при продольном движении судна (боковая сила на руле может кратковременно создаваться и на неподвижном судне за счет струи от винта, работающего на передний ход, однако работа винта быстро при­ведет к продольному движению судна).

Характер поведения судна под воздействием САУ определяется рас­стоянием точки приложения поперечной силы P_y от ЦТ судна, т.е. плечом x_p . Под влиянием момента приложенной поперечной силы M_p=P_y·x_p судно получает вращательное движение. При этом тангенциальная ско­рость каждой точки по длине судна определяется расстоянием этой точ­ки от полюса поворота и угловой скоростью судна.

Распределение местных скоростей по длине судна при вращении вокруг полюса поворота, расположенного на расстоянии x_пп от ЦТ, показано на рис.4.1. В первом случае (см.рис.4.1, а) полюс по­ворота расположен за корпусом судна на продолжении его диаметральной плоскости, а во втором (см. рис.4.1. б) - в пределах корпуса судна.

Когда вращение судна происходит относительно полюса поворота (П.П), лежащего на ДП, уравнения установившегося движения судна (по оси y и вокруг оси Z ) могут быть записаны в виде

(4.1)

где R_y - поперечная гидродинамическая сила на корпусе (равнодей­ствующая сил); P_y - боковая сила САУ (или буксира); M_R - момент поперечной гидродинамической силы относительно ЦТ (оси Z); x_p - плечо поперечной гид-родинамической силы относительно ЦТ; L - длина судна; - относительное плечо силы .

Если принять для простоты, что корпус судна симметричен относи­тельно миделя (ЦТ), а осадка на всем протяжении корпуса постоянна (судно сядет на ровный киль), то элементарную гидродинамическую силу, действующую на элемент корпуса по длине, и ее момент можно записать в виде:

(4.2.)

где с - коэффициент сопротивления воды перемещению элемента; V - скорость элемента; T - осадка.

а) при ПП за пределами корпуса судна; б) в пределах корпуса

Скорость V любого элемента c элементарной площадью Т ·dx равна

(4.3)

где - относительное расстояние элемента от ЦТ; ω - угловая скорость судна.

Принимая , для случая когда ПП за корпусом получим:

; (4.4)

. (4.5)

Для случая, когда ПП располагается в пределах корпуса судна , получим:

; (4.6)

(4.7)

Подставляя значения R_y и M_R из выражений (4.4), (4.5) и (4.6), (4.7) в уравнение (4.1) и разрешая их относительно , получим зависимости, связывающие и :

а) для случая

; (4.8)

б) для случая

(4.9)

Рис. 4.2. График зависимости положения ЦТ от расположения поперечной силы

Приведенный график (см. рис.4.2) позволяет определить положение полюса по­ворота при действии любого САУ, расположенного на расстоянии от ЦТ судна.

4.2. Маневрирование с использованием САУ

Наиболее распространенными средствами активного управления на морских судах и судах смешанного плавания являются, подруливающее уст­ройство (ПУ), активный руль (АР) и раздельные поворотные насадки (РПН).

Подруливающее устройство (ПУ) способно создавать тягу в попереч­ном направлении. ПУ устройства устанавливаются в носовой и/или кормо­вой оконечности судна на расстоянии примерно, 0,35÷0,40L от мидель-шпангоута. При таком расположении, полюс поворота при работе ПУ на судне, не имеющем хода располагается, как это видно на графике (см.рис.41.2), примерно на 0,25 L от миделя - по другую его сторону. Следовательно, при работе носового ПУ судно разворачивается вокруг точки, расположенной на 0,25L в корму от мидель-шпангоута, а при работе кормового ПУ - вращение происходит вокруг точки, расположен­ной на 0,25L в нос от мидель-шпангоута.

Если на судне два ПУ - в носу и в корме, то совместная их работа в противоположных направлениях позволяет разворачивать судно вокруг его ЦТ, а при работе носового и кормового ПУ в направлении одного борта - иметь боковой ход.

Носовое подруливающее устройство позволяет уверенно управлять судном при движении задним ходом.

Если носовое ПУ установлено на двухвинтовом судне, то при работе винтов враздрай такое судно может двигаться лагом, если включить ПУ в направлении того борта, на котором винт работает вперед. Если же включить ПУ в сторону противоположного борта (где винт вращается на­зад), то такое судно будет разворачиваться на месте примерно вокруг ЦТ.

Активный руль (ap) может перекладываться на углы 70-90°, следо­вательно, может изменять направление тяги в широких пределах, а с учетом реверсирования винта АР - практически в любом направлении. АР используется как средство управления только на небольших скоростях.

АР используется не только как средство управления, но и для обеспечения движения судна со скоростями до 3-5 узлов, что позволяет выполнять маневрирование, например, в порту, без использования глав­ного двигателя. Однако, при этом необходимо учитывать, что АР из-за малой мощности приводного двигателя неспособен обеспечить эффектив­ное торможение судна на ограниченном пространстве.

При перекладке АР на борт (70-90°) судно, не имеющее хода спо­собно разворачиваться практически на месте вокруг полюса поворота (ПП) расположенного примерно на 0,15L в нос от мидель-шпангоута (см. рис. 4.2).

Использование АР совместно с носовым ПУ позволяет судну переме­щаться лагом.

Наибольшее распространение АР получили на судах рыболовного флота, а также на океанографических судах и паромах.

Раздельные поворотные насадки (рпн) обеспечивают судам маневренные уникальные возможности.

РПН при их синхронном использовании, т.е. при поворотах на оди­наковые углы и в одном направлении, служат обычным рулевым устройст­вом, но значительно более эффективным, чем два пера руля, располо­женных за винтами. Независимое (раздельное) управление каждой из двух насадок в сочетании с работающими враздрай винтами делает РПН средст­вом активного управления, позволяющим создавать боковую силу, прило­женную по желанию в любой точке по длине судна, или даже за его кор­мой.

Если обе насадки переложены внутрь, т.е. задними кромками к ДП, то равнодействующая тяг винтов, работающих враздрай, направлена в сто­рону винта, работающего на передний ход, а точки ее приложения нахо­дится, в зависимости от угла перекладки, на более или менее значи­тельном расстоянии за кормой судна. При этом создается большой момент относительно миделя (ЦТ) судна, обеспечивающий быстрый разворот судна на месте.

Если при работе винтов враздрай обе насадки переложены наружу, то равнодействующая тяг располагается в нос от насадок на расстоянии, определяемом углом перекладки, и вызывает дрейф судна в сторону борта, на котором расположен винт, работающий на передний ход. Если выбрать угол перекладки с таким расчетом, чтобы равнодействующая была прило­жена в центре бокового сопротивления, то судно получит перемещение лагом. Если же при этом изменить силу тяги одного из винтов, то рав­нодействующая тяг отклонится от поперечного направления и судно одно­временно с боковым перемещением получит еще и поступательное движение вперед или назад - в направлении работы того винта, который создает большую тягу.