Силы и моменты действующие на судно при перекладке рулевых элементов. Влияние руля на управляемость судна на переднем и заднем ходу.

По данной тематике проводится лабораторная работа 2.1 (2 часа)

При движении судна прямолинейным курсом и положении руля в диаметральной плоскости, при отсутствии ветра и течения, сила упора движителей уравновешивается силами сопротивления воды движению корпуса судна. Руль и корпус симметрично обтекают встречные струи воды и сил отклоняющих судно не возникает. При перекладке руля на некоторый угол α, со стороны обращенной к обтекающему потоку, на руле возникает повышенное давление, а на противоположной стороне руля – пониженное. Разность давлений на сторонах пера руля создает силу Р, давящую на перо руля и зависящую от скорости натекания воды на перо руля, угла перекладки, формы и площади пера руля. После перекладки руля судно некоторое время, по инерции, продолжает двигаться прямолинейно, а затем поворачивается в сторону перекладки руля. Рассмотрим действие силы Р на судно в первый момент после перекладки руля.

Разложим силу Р по правилу параллелограмма на две составляющие силы: Ру – перпендикулярную ДП судна рулевую силу, и Рх – направленную по ДП силу торможения. Приложим к ЦТ судна две равные и противоположно направленные силы Р₁ и Р₂, параллельные и равные силе Ру. Силы Ру и Р₂ образуют пару сил, а их поворачивающий момент Мр наз. моментом руля Мр = Ру 0,5L где 0,5L – плечо пары сил Ру и Р₂. Сила Ру при движении прямым курсом определяют по формуле:

Ру = k₁k₂с_р0,5рSр(k_υυ)²(α+β_с) где:

k_{1 –} коэф., учитывающий увеличение рулевой силы от постановки рулевых шайб(1,15-1,2);

k₂ – коэф., учитывающий влияние близости пера руля к корпусу судна (1,05- 1,3 при меньшем зазоре, больший коэффициент);

с_{р –} угловой коэф. 5,15/1+(2S_р / h_р²)где h_р-высота пера руля,м;

ρ- массовая плотность воды (для пресной воды 102 кгс с²/м⁴);

Sр – площадь пера руля,м²;

k_υ – коэф. учитывающий изменение скорости натекания воды на перо руля, от действия гребного винта и корпуса судна (1,1-1,55, больше при толкании, меньше для одиночных судов);

υ – скорость натекания воды на перо руля, м/с;

α – угол перекладки руля, град;

β_с – угол скоса потока воды за кормой, вызванного обводами судна. ( у одно и трех винтовых судов β_с= 2-4⁰, у двухвинтовых с 2-мя рулями β_с=0⁰).

Из рисунка видно, что при перекладке руля на судно начинают действовать: поворачивающий момент Мр, направленный в сторону отклонения пера руля; сила Ру , смещающая судно в сторону противоположную повороту и сила Рх, увеличивающая сопротивление движению. Увеличение сопротивления при перекладке руля уменьшает скорость движения судна (при прямолинейном движении и удержании судна на курсе 5-ти градусными перекладками руля, теряется до 2% скорости), поэтому перекладка руля не должна превышать 1⁰.

Смещение и дрейф судна в сторону противоположную повороту руля, достигает наибольшего значения в кормовой части судна, что следует учитывать при выполнении поворотов и оборотов вблизи опасностей.

После преодоления сил инерции судно начинает двигаться по криволинейной траектории – циркуляции. В это время на судно, как на всякое физическое тело, движущееся по кривой, действует центробежная сила С, направленная в сторону противоположную повороту. Она приложена к центру тяжести судна, пропорциональна его массе m, квадрату скорости υ_с поступательного движения ии обратно пропорциональна радиусу кривизны траектории движения r. С=mυ_с²/r. Эта сила с плечом h (расстояние между ц.т. и центром величины судна) создает кренящий момент Мкр = Сh, вызывающий крен судна в сторонупротивоположную повороту судна, что также следует учитывать привыполнении резкого поворота и оборота (снижать скорость и угол перекладки руля). Циркуляция, ее периоды и элементы см. выше.

После остановки движителей давление воды на перо руля резко уменьшается. С уменьшением скорости судно хуже слушается руля и может потерять управляемость. При работе винта «назад» на стороне руля обращенной к винту, создается пониженное давление, поэтому при руле переложенном «вправо» нос судна уклоняется влево и наоборот, т.е. корма судна уклоняется в сторону перекладки руля.

Сила давления на перо руля при движении задним ходом в первый момент определяется по формуле: Ру = с_у 0,5S_ρυ², рассмотрим действие силы Р на судно придвижении задним ходом. Отклонение руля вызывает поворачивающий момент от пары сил Р и Р₁, увеличение сопротивлению воды движению корпуса судна и уменьшение скорости от действия силы Р_х, и дрейф судна в сторону перекладки руля. При циркуляции на заднем ходу под действием рулевой силы увеличивается давление воды на кормовую часть борта (сила R¹_у), в сторону которого переложен руль. Эта сила создает поворачивающий момент, противоположный поворачивающему моменту руля и общий поворачивающий момент в начальный момент циркуляции на заднем ходу равен разнице моментов рулевого и сопротивления воды корпусу судна. Поэтому даже при равном давлении на руль поворотливость на переднем ходу лучше , чем на заднем. Однако, через некоторое время после начала поворота угловая скорость начинает увеличиваться и гидродинамические силы со стороны наружного борта становятся больше динамической силы R¹_у, вызванной перекладкой руля. В это время поворачивающий момент судна – сумма момента руля и позиционного момента, что вызывает увеличение скорости поворота. Величина позиционного момента близка к величине момента руля, поэтому перекладка руля в противоположную сторону может не дать желаемого эффекта и не выведет судна из циркуляции. Учитывая это явление, при движении задним ходом не следует допускать больших скоростей поворота и движения. Для вывода судна из циркуляции следует дать реверс «вперед» и управлять судном на переднем ходу.