ВЛИЯНИЕ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА «РУЛЬ-ВИНТ» НА УПРАВЛЯЕМОСТЬ ОДНОВИНТОВОГО СУДНА

Целью лекции являются рассмотрение влияния совместной работы руля и винта на управляемость судна.

1. Действие гребного винта на руль и корпус судна.

Основное назначение гребного винта, установленного на судне, заключается в создании силы тяги (Р - упор) для поступательного движения судна. Вместе о тем, отбрасываемые при работе винта, по­токи воды, действуя на руль и корпус судна оказывают влияние на его управляемость. Это влияние сказывается на переходных режимах: с переднего на задний ход и с заднего на передний ход. Поэтому дей­ствия, оказываемое винтом на управляемость, необходимо учитывать при маневрировании судна.

В зависимости от положения лопастей бывают гребные винты пра­вого и левого вращения (правого и левого шага)

Винт правого вращения на переднем ходу вращения по часовой стрелке, если смотреть по направлению движения судна (и наоборот).

Шаг винта - это расстояние на которое продвинулся бы винт за один оборот при вращении в каком-либо твердом теле.

Морские суда в большинстве имеют один винт правого шага, по­этому рассмотрим его влияние на управляемость.

Сложный процесс взаимодействия винта с рулем и корпусом пока полностью теоретически не описан, поэтому количественную оценку влияния различных сил на управляемость судна дать нельзя. В литера­туре по управлению судном обычно рассматривается качественная сторона этого вопроса, на ней мы и остановимся.

Обратимся к 4-х лопастному винту правого шага, вращающемуся на переднем хо­ду. Движение винтовой струи показано на рис. 3.1. В то же время за кормой судна образуется попутный поток, действующий на лопасти винта и руль.

Рис. 3.1. Движение винтовой струи.

Попутным потоком называют движение воды, которая устремляется в пространство, освобождаемое судном при движении его вперед, и увлекаемое за судном силами трения.

Попутный поток уменьшает скорость натекания встречной воды на руль, т.е. ухудшает управляемость. Воздействие попутного потока на винт выражается в уклонении кормы в ту или иную сторону в зависимости от режима движения судна. Левая лопасть I винта встречает попутный поток, вследствие чего испытывает большее давление, чем правая лопасть II, уходящая от потока (рис. 3.2.). Поэтому корма судна на переднем ходу под действием силы попутного потока уклоняется влево (сила в больше силы в₁).

Рис. 3.2. Положение лопастей, показывающее разность давления попутного потока.

Гребной винт закручивает прилегающие массы воды, создавая вихревой спиралеобразный поток, идущий от винта назад. Этот по­ток набегает на руль справа в нижней части и слева в верхней части. Из-за неравномерности распределения скоростей в потоке струи в ни­жней части руля появляется избыточное давление. В результате появ­ляется боковая сила С - сила набрасываемой струи, отклоняющая кор­му влево, а нос вправо.

Вращению лопастей винта противодействует вода, это сопротивле­ние называют силой реакции Д.

Рассмотрим действие силы реакции на примере 4-х лопастного вин­та (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Действие сил реакции.

Движению лопасти I противодействует сила Д^I, стремящаяся повернуть корму влево.

Реакция Д^II стремится поднять корму вверх, а на уклонение ее в сторону.

Сила реакции Д^III стремится уклонить корму вправо, Д^IV действует вниз.

Сила Д^III>Д^I т.к. на глубине больше гидростатическое давление, следовательно корма пойдет вправо,

Силы Д^IIи Д^IV создают вибрацию кормы при некоторых «так называемых» критических оборотах.

При движении судна вперед за счет трения воды о корпус и обра­зования за кормой разреженного пространства возникает попутное те­чение (поток). Давление попутного потока на симметричные обводы кор­пуса судна не вызывает уклонения кормы.

Угол натекания воды на лопасти винта не одинаков и определяет­ся окружной и осевой скоростью винта.

Наибольшая скорость натекания (попутного потока) у ватерлинии, т.к. угол встречи лопасти с водой в верхнем положении больше, чем в нижнем, создается боковая сила разности сопротивления воды, уклоняющую корму влево.

В начале движения попутный поток отсутствует.

На заднем ходу сила набрасываемой струи действует на раковину правого борта вверху под большим углом и отклоняет корму влево.

На переднем установившемся ходу сумма сил С+в больше силы Д, поэтому корма судна уклоняется влево.

Силы, возникающие при отклонении руля.

Если в момент дачи хода руль отклонить от ДП, то потоки воды отбрасываемые винтом назад окажут давление на него - появляется сила винтовой струи – С_вс. Она отклоняет корму в сторону противоположную кладке руля, т.е. помогает рулевой силе.

На заднем ходу появляется сила всасываемой струи В - эта сила помогает рулевой силе уклонять судно в нужную сторону.

Силы, дейст­вующие на руль от встречного потока воды за счет движения судна: Р_у - рулевая сила на переднем ходу, Р_у' - на заднем ходу значительно больше по величине всех других сил.

2. Взаимодействие сил при работе комплекса "руль - винт" на различных режимах движения судна.

Рассмотрим работу комплекса "руль-винт" идя одновинтового судна (винт правого шага).

I. Судно не имеет хода, винт работает вперед (рис. 3.4.). При расположе­нии руля в ДП, возникают всего две силы: набрасываемой струи С и реакции Д. Причем Д>С. Складывая эти силы с силой P_e, получим R равнодействующую, которая уклоняет корму вправо.

Рис. 3.4. Взаимодействие сил при режиме 1.

Если руль положить вправо, то сила винтовой струи C_c будет противодействовать (Д - С), и корма будет на месте или пойдет влево.

Если руль положить влево, то сила С_с будет способствовать силе Д по уклонению кормы вправо.

2. Судно движется вперед, винт работает вперед (рис. 3.5.). На установив­шемся переднем ходу, когда руль прямо, на судно, кроме Р_е действуют силы Д, С, и в. При этом сумма сил С+в уклоняют корму влево, т.к. С+в>Д . R направлена влево. Поэтому, чтобы вести судно по курсу, руль слегка отводят влево, тогда корма должна идти впра­во. Добиться равенства сил С+в=Д+∆Р_у+С_с трудно, поэтому судно идет по ломаной линии, форма которой зависит от рулевого устройства и навыка рулевого матроса. В приведенном последнем равенстве слагаемое в правой части ΔР_у – есть рулевая сила, зависящая от скорости судна и угла перекладки руля.

Рис. 3.5. Взаимодействие сил при режиме 2.

При перекладке руля вправо силы Р_у и С_с действуют на корму совместно и силами С и в. Корма идет влево под действием 4-х сил, поэтому циркуляция в правую сторону у судов с одним винтом правого ша­га выполняется быстрее, чем в левую.

Рис. 3.6. Взаимодействие сил при режиме 3.

3. Судно не имеет хода, винт работает назад. Сида набрасывае­мой струи С, и реакция Д, действуют совместно и при руле прямо отклоняют корму влево. Сила всасываемой струи В на руль в прямом положении не действует. Если положить руль влево, то в увеличива­ет сумму сил С_I + Д_I, если вправо, то уменьшает.

Рис. 3.7. Взаимодействие сил при режиме 4.

4. Судно движется назад, винт работает назад (рис. 3.7.). В дополнение к силам C_I и Д_I на заднем ходу появляется сила Р_у' – рулевая сила на переложенный руль, при положении руля прямо она не действует на уклонение судна.

В случае перекладки руля вправо сила Р_у' противодействует силам C_I и Д_I и при большой скорости движения может уваливать корму вправо. Если руль положить влево, то все три силы С, Д и Р_у' действуют в одну сторону и уклоняют корму влево.

Рис. 3.8. Взаимодействие сил при режиме 5.

5. Судно движется вперед, винт работает назад (рис. 3.8.). В начальный момент, когда винт остановлен исчезают силы Д и С, сила в будет уклонять корму влево. При работе винта назад появятся силы Д_I и С_I, укло­няющие также корму влево. При руле положенном влево и движении вперед сила Р_у может компенсировать действие сил Д_I + C_I + в, а также ж силы В - всасываемой струи.

Рис. 3.9. Взаимодействие сил при режиме 6.

6. Судно движется назад, винт работает вперед (рис. 3.9.). С началом вращения винта вперед появится большая сила реак­ции Д и сравнительно меньшая сила набрасывающей струи С, т.к. руль уходит от ее влияния, корма будет отклоняться вправо.

Если отвести руль вправо, то появится сила Р_у' и С _C противодействующие друг другу. При значительной скорости силы (Д - С ) и Р_у' отклоняет корму вправо, при малой скорости и полном ходе может быть наоборот, т.е. корма пойдет влево. При руле положенном влево, корма должна идти влево, т.к. силы ( Д - С ) и С_С менее Р_у'. Основные выводы показаны в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

3. Управляемость многовинтовых судов

Двухвинтовые суда имеют следующие преимущества:

1) судно может управляться при одной машине, если другая выйдет из строя;

2) при выходе рулевого устройства судно управляемо под двумя машинами;

3) циркуляция одинакова вправо или влево, хорошо слушается руля на заднем ходу.

Недостатки: возможно повреждение винтов при швартовке, т.к. они удалены от ДП; винтовая струя не увеличивает рулевую силу, т.к. руль расположен не за винтами.

Рис. 3.10. Винты наружного вращения.

Обычно на судах устанавливаются винты наружного вращения (рис. 3.10.), т.к. при развороте на месте силы Д действует в одну сторону, если винт I работает вперед, а винт II – назад.

Силы Д, С и в уравновешиваются на установившемся ходу.

При переходе с переднего на задний ход, корма не уклоняется при руле прямо.

Установка винтов наружного вращения способствует улучшению управляемости судна. Сила реакции воды Д будет способствовать развороту судна.

При развороте на месте, машине работающей вперед, дают на одну степень меньший ход, чем машине работающей назад. Если обе­им машинам дать одинаковый ход, будет наблюдаться продвижение суд­на с одновременным разворотом. Особенностью работы двух винтов является уравновешивание сил С, Д и в возникающих под действием каж­дого винта. Отсюда при движении вперед отсутствует забрасывание корны влево, судно движется прямолинейно. На заднем ходу судно подвержено воздействию сил Р_у и В, это обстоятельство приводит к тому, что судно на заднем ходу обладает управляемостью лучшей по сравнению с одновинтовым судном.

При переходе с заднего хода на передний и наоборот, корма не уклоняется при руле прямо.

Таким образом наличие двух винтов на судах облегчает их управляемость и делает их более живучими по сравнению с одновинтовыми судами.

Трехвинтовое судно.

Трехвинтовые суда имеют крайние винты наружного вращения, средний винт правого шага, как у одновинтовых. Трехвинтовые суда обладают следующими преимуществами:

1) еще большая живучесть по сравнению с двухвинтовыми судами;

2) при выходе из строя рулевого устройства судно управляемо при помощи машин;

3) средний винт усиливает действие руля и улучшает поворотли­вость;

4) судно может в широких пределах менять диаметр циркуляции и разворачивается на месте.

Влияние среднего винта такое же, как и у одновинтового судна. Циркуляция 3-х винтового судна на переднем ходу вправо меньше, чем влево.

К недостаткам можно отнести сложность в управлении. В транс­портном флоте 3-х винтовые суда можно встретить среди пассажирских судов и ледоколов.

4. Особенности работы ВРШ (винт регулируемого шага) при управлении судном.

1. ВРШ - позволяет изменять поступь винта, что даст возможность использовать полную мощность машины, в том числе и на заднем ходу; реверс выполняется разворотом лопастей винта вперед и назад при вращении гребного вала в одну сторону.

2. Время реверса сокращается на 30 – 40%, сокращается время тормо­жения и длина тормозного пути приметно на те же значения.

Для выяснения влияния ВРШ на управляемость судна рассмотрим ра­зличные режимы его работы.

Рис. 3.11. Взаимодействие сил при режиме I.

I. На переднем установившемся ходу, как и у винта фиксированного шага. С уменьшением шага С и Д уменьшаются пропорционально, уменьшается и в (рис. 3.11.).

При выводе руля из ДП на него будут действовать рулевая сила Р_у и сила винтовой струи С_с.

Рис. 3.12. Взаимодействие сил при режиме II.

II. При установившемся движении назад (рис. 3.13.) C_I и Д_I - действуют в од­ном направлении, корма идет вправо, а не влево как у ВФШ. На полном ходу Р_у'+в больше Д_I+C_I на малом наоборот – силы Д_I+C_I могут превысить рулевую силу Р_у' и силу всасываемой струи В.

Рус. 3.13. Взаимодействие сил при режиме III.

III. Реверс - переход с переднего на задний ход (рис. 3.13.). Все три силы уклоняют корму вправо резко (уменьшить можно рулем (Р_у)); удобно швартовка правым бортом.

Рис. 3.14. Взаимодействие сил при режиме IV.

IV переход с заднего на передний (рис. 3.14.). Д>С в вначале корма пойдет вправо. Руль уходит из под силы С. В начале, как и ВФШ при винте правого шага. Преимущества судов, оборудованных ВРШ:

1. Соответствие шага и частоты вращения.

2. Увеличивает моторесурс двигателя за счет уменьшения реверсов

3. Позволяет применять дистанционное управление машиной

4. Сокращается время и путь торможения до 30-40%.

5. Облегчает швартовные операции, постановки, на якорь и др. маневры.

6. Получение любого значения скорости.

Недостатки:

1. Недостаточная надежность;

2. Масса ВРШ в 2-2,5 раза больше ВФШ;

3. КПД ВРШ на 1-3% меньше ВФШ;

4. Сложность устройства ВРШ по сравнению с ВФШ.

5. Работа руля, расположенного за корпусом и винтом судна.

На переложенный руль движущегося судна действует сила давления воды (скоростной напор) Р. Разложим эту силу по правилу параллелограмма на Р_у - рулевую сяду (силу поворачивающую судно) и Р_х – силу, увеличивающую сопротивление движению судна.

Если бы руль был изолированным, то рулевую силу Р_у можно определить по формуле:

Р_у=С_у×ρ/2×S_р×V₀² (1)

где C_у - коэффициент боковой составляющей, получаемой путем предувок моделей; ρ=104 кгс²/м⁴;

S_р – площадь пера руля, м²;

V₀ – скорость судна, м/с;

В пределах угла перекладка руля от 0° до 35° С_у можно определить по формуле:

С_у=С_р×α (2)

где С_р – коэффициент руля, С_р=5,15/(1+2S_P\h_p)

α - угол перекладки руля, рад.

Подставляя выражение (2) в формулу (1) получим:

P_y=C_p×ρ\2×S_p×V₀²α

Влияние корпуса – попутный поток.

На руль, помещенный за кормой судна действует сила попутного по­тока воды, направленная противоположно силе давления воды (скорост­ному напору). С учетом попутного потока скорость натекания вода на руль за кормой судна будет равна:

V_e=(1-ψ)V₀ (3)

где ψ - коэффициент попутного потока, определявши приближенно по формуле ψ =0,55 δ-0,05 (δ - коэффициент полноты водоизмеще­ния).

С учетом выражения (3) формула (1) примет вид:

P_e=C_p×ρ\2×V_e²×α (4)

Кроме силы попутного потока на переложенный руль действует осевая составляющая силы винтовой струи. Значение скорости винтовой струи определяется по формуле:

,

где S – коэффициент нагрузки винта по упору Р_е, определяемый по выражению:

,

где Р_е – упор винта на швартовых, Р_е=0,01N_i;

N_i - индикаторная мощность двигателя, л.с.

Тогда скорость набегания воды на руль найдем по формуле:

V_p=V₀-V_e+V_a,

а рулевую силу по формуле:

.